GC-MS-based metabolic profiling of Escherichia coli exposed to subinhibitory concentration of enoxacin

Enoksasin subinhibitör konsantrasyonu maruziyeti altında Escherichia coli’nin GC-MS bazlı metabolomik profillemesi

Abstract

Objective: The rapid development of bacterial resistance to antibiotics is one of the most recent threats to human health. Understanding the metabolism of pathogens is essential to gain insights into the adaptation strategies that are required to deal with the host environment during infection and to identify new drug targets. In recent years omics technologies have offered new routes to understand adaptation and resistance mechanisms of pathogens against antibiotics at molecular level. In present work, we analyzed the metabolic response of Escherichia coli during treatment with enoxacin to identify metabolic adapdation processes. Methods: Gas chromatography/Mass spectroscopy (GC/MS) based metabolomics approach was used for metabolomics analysis. Metabolites were extracted using methanol: water co-solvent system. After derivatization process, Metabolites separated in GC column and analyzed in MS. MS-DIAL metabolomics and lipidomics platform was performed to analyze raw GC/ MS data. Metabolites were identified with retention index database and quantified relatively between control and enoxacin-treated groups. Statistically significant altered metabolites were investigated via pathway enrichment analysis. Results: Metabolite profile of control and enoxacintreated groups were compared to observe cellular adaptation against the antibiotic stress. Principal component analysis of GC/MS results showed that there was a dramatic shift at general metabolome structure under antibiotic stress. We identified 92 metabolites and statistical analysis indicated 36 metabolites altered significantly between experimental groups. Pathway enrichment analysis showed that amino acid biosynthesis, glycine, serine, and threonine metabolism, Aminoacyl-tRNA metabolism, purine metabolism, galactose metabolism was induced in E. coli exposed to subinhibitory concentration of enoxacin. Conclusion: In present study, we investigated metabolic adapdation of E. coli against enoxacininduced stress. Our findings may contribute to current literature to expand the understanding of bacteriaantibiotic interactions at metabolome level.

Özet

Amaç: Antibiyotiklere karşı hızla gelişen bakteri direnci insan sağlığını etkileyen en önemli tehlikelerden biri haline gelmiştir. Patojenlerin metabolizmalarının anlaşılması konak ortama karşı gerekli metabolik adaptasyonların anlaşılmasında ve yeni antimikrobiyal hedeflerin belirlenmesinde oldukça önemlidir. Son yıllarda gelişen omik teknolojiler patojenlerin antibiyotiklere karşı adaptasyon ve direnç süreçlerinin moleküler düzeyde incelenmesinde yeni fırsatlar sunmuştur. Bu çalışmada Escherichia coli’nin enoksasine karşı verdiği metabolik cevabı araştırarak metabolik adaptasyon süreçlerini belirlemeye çalıştık. Yöntem: Bu çalışmada metabolomik analiz için gaz kromatografisi/kütle spektroskopisi (GC/MS) bazlı metabolomik yaklaşım kullanılmıştır. Metabolitlerin ekstraksiyonunda methanol: su çözücü karışımı kullanılmıştır. Türevlendirme işlemi sonrasında metabolitler önce GC kolonunda ayrışmış daha sonrasında kütle spektroskopisinde analiz edilmiştir. Elde edilen ham GC/MS verilerinin biyoinformatik analizleri için MSDIAL metabolomik ve lipidomik platform kullanılmıştır. Metabolitlerin yapıları alıkonma indeksi veri bankasına göre yapılmıştır. İki grup arasında anlamlı olarak değişenmetabolitler belirlendikten sonra yolak analizleri ile değerlendirmeler yapılmıştır. Bulgular: Bu çalışmada metabolik adaptasyonu anlamak için kontrol ve enoksasin maruziyeti altında bulunan E. coli hücrelerinin metabolit profilleri karşılaştırılmıştır. Temel bileşenler analizi (PCA) sonuçları enoksasin maruziyeti altında E. coli hücrelerinin metabolit yapısının dramatik şekilde değiştiğini göstermiştir. Yapılan analizlerde toplam 92 metabolitin yapısı aydınlatılmış ve bunlardan 36 tanesinin istatistiksel olarak anlamlı şekilde değiştiği belirlenmiştir. Miktarı değişen metabolitler yolak analizleri ile değerlendirilmiş ve enoksasin maruziyeti altında aminoasit biyosentezi, aminoaçiltRNA metabolizması, pürin metabolizması, glisin, serin ve treonin metabolizması ve galaktoz metabolizması gibi hücresel süreçlerin farklılaştığı tespit edilmiştir. Sonuç: Elde edilen sonuçlar enoksasin maruziyeti altında E. coli’de meydana gelen metabolik değişiklikleri ve antibiyotik kaynaklı stres koşullarında nasıl adapte olduğu hakkında bilgi sunmaktadır. Yapılan çalışmanın sonuçları antibiyotik-bakteri ilişkisinin anlaşılması ile ilgili olarak literatüre ve gelecek çalışmalara katkıda bulunacaktır.