The biosafety evaluation of natural Bacillus spp. strains with valuable biotechnological properties

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. The modern trend in the agriculture development is its greening through the use of microorganisms that have a range of useful properties (antagonistic activity, enzyme production, etc.). An important selection criterion for the inclusion of microbes in the composition of biopreparations is their safety.

Purpose. The present study aimed to investigate the safety of Bacillus spp. natural strains that possessing valuable biotechnological properties.

Material and methods. The objects of the study were 10 bacillus strains from the collection of the Engineering Center "Prombiotech" ASU. The strains were tested for: the ability to produce pathogenicity enzymes using classical microbiological methods (hemolytic, phosphatase, lecithinase and ribonuclease activity), the profile of genes synthesizing enterotoxins and cereulide synthetase of emetic toxin (cytK, hblC, entFM, nheA, ces) using the real-time PCR test system, and the ability of the studied bacillus strains toxicity on a mouse model.

Results. All the studied Bacillus spp. strains showed at least one enzymatic activity (RNAase). For the species B. pumilus, B. toyonensis and the B. licheniformis 6 strain, 3 out of 4 positive enzymatic tests were detected (except for lecithinase). According to the real-time PCR data, all the studied strains showed a negative result for five toxin genes. This was confirmed in vivo, since no acute toxic effect was recorded in the experimental mice from the action of the all the studied Bacillus spp. strains supernatants.

Conclusion. The studied genus Bacillus strains do not belong to potential pathogens of food poisoning in humans and animals, since they do not produce enterotoxins and cereulide, and do not exhibit toxic properties in a mouse model.

About the authors

Alena N. Irkitova

Altai State University

Author for correspondence.
Email: elen171987@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2664-1995

Cand. of Bio. Sc., Asc. Prof., Director Engineering Center “Prombiotech”

 

Russian Federation, 61, pr. Lenina, Barnaul, Altai Territory, 656049, Russian Federation

Dina E. Dudnik

Altai State University

Email: dudnik-dina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2086-8144

Junior Researcher

 

Russian Federation, 61, pr. Lenina, Barnaul, Altai Territory, 656049, Russian Federation

Angelina V. Malkova

Altai State University

Email: gelishka96@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4053-036X

Cand. of Bio. Sc., Researcher

 

Russian Federation, 61, pr. Lenina, Barnaul, Altai Territory, 656049, Russian Federation

Kseniya V. Khlopova

State Research Center for Applied Microbiology and Biotechnology

Email: xlopova.12@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7611-3608

Junior Researcher

 

Russian Federation, 24, Territory "Kvartal A", Obolensk, Serpukhov, 142279, Moscow region, Russian Federation

References

  1. Borozdina, I. B. (2011). Comparative characteristics of Bacillus bacteria of the Betulaceae family when cultured on artificial nutrient media. Bulletin of the Altai State Agrarian University, 2, 43-48. EDN: https://elibrary.ru/ncxvir
  2. Suldina, E. V., Feoktistova, N. A., Bogdanov, I. I., & Molofeeva, N. I. (2021). Detection of enzyme genes in Bacillus subtilis bacteria using REALTIME PCR. Bulletin of the Ulyanovsk State Agricultural Academy, 4(56), 61-65. https://doi.org/10.18286/1816-4501-2021-4-61-65 EDN: https://elibrary.ru/rzcvqv
  3. GOST 33216-2014. Guidelines for the maintenance and care of laboratory animals. Rules for the maintenance and care of laboratory rodents and rabbits. Moscow: Standartinform, 2016, 17 p.
  4. Zhuravlev, P. V., Aleshnya, V. V., & Panasovets, O. P. (2018). Pathogenic enzymes in bacteria isolated from open water bodies. Public Health and Habitat, 1(298), 11-14. https://doi.org/10.35627/2219-5238/2018-298-1-11-14 EDN: https://elibrary.ru/ytzsrt
  5. Ivanova, A. Yu., Polosenko, O. V., & Shepelin, A. P. (2022). Development and quality assessment of domestic nutrient medium for identification of Bacillus cereus and Bacillus subtilis. Bacteriology, 7(1), 18-24. https://doi.org/10.20953/2500-1027-2022-1-18-24 EDN: https://elibrary.ru/sxlbdp
  6. Khairullin, R. M., Burkhanova, G. F., Sorokan, A. V., Sarvarova, E. R., Veselova, S. V., Cherepanova, E. A., Vologin, S. G., Zamalieva, F. F., & Maksimov, I. V. (2019). On the mechanisms of antiviral activity of Bacillus subtilis bacteria in potato plants. Theoretical and Applied Ecology, 4, 130-135. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2019-4-130-135 EDN: https://elibrary.ru/bmhxvq
  7. Marinin, L. I., Dyatlov, I. A., & Mokrievich, A. N. (2021). Methods for studying biological and molecular genetic properties of anthrax pathogen. Moscow: Dynasty Publishing House, 240 p. ISBN: 978-5-98125-122-1 EDN: https://elibrary.ru/lbrswq
  8. Set of oligodeoxyribonucleotide primers and fluorescently labeled probes for detection of cereulide and diarrheal enterotoxins of Bacillus cereus complex using RT-PCR. Patent application № 2024121115.
  9. Sheina, N. I., Budanova, E. V., Mialina, L. I., Sazonova, L. P., & Kolesnikova, V. V. (2018). New information on toxicity and hazard of chemical and biological substances. Microorganism Bacillus thuringiensis ssp. toumanoffi 25. Toxicological Bulletin, 1, 135-137. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2018-1-35-37 EDN: https://elibrary.ru/yrshqg
  10. Baidalinov, A. I., Shemshura, O. N., Ismailova, E. T., Dzhakibaeva, G. T., Tleubekova, D. A., Baimakhanova, G. B., & Kenzheev, Sh. T. (2022). Assessment of biosafety of Bacillus amyloliquefaciens MB40 strain, promising as a basis for biopreparation against bacterial burn of fruit crops. Microbiology and Virology, 4(35), 38-47. https://doi.org/10.53729/MV-AS.2021.04.03 EDN: https://elibrary.ru/xdjpms
  11. Ilinskaya, O. N., Sokurenko, Yu. V., Ulyanova, V. V., Vershinina, V. I., Zelenikhin, P. V., Kolpakov, A. I., Medvedeva, E. S., Baranova, N. B., Davydova, M. N., Muzykantov, A. A., Chernova, O. A., & Chernov, V. M. (2014). Ribonucleolytic activity of mycoplasmas. Microbiology, 83(3), 320-327. https://doi.org/10.7868/S0026365614030070 EDN: https://elibrary.ru/sbvwwf
  12. Fairushin, R. N., Ganieva, R. F., & Sharipov, A. R. (2022). Assessment of general toxicity of Vitafort probiotic on laboratory animals and its immune effect on calves’ organism. In: Collection of scientific works of the Twelfth International Interuniversity Conference on Clinical Veterinary Medicine in partners format. Moscow, 463-468. EDN: https://elibrary.ru/htfayl
  13. Feoktistova, N. A., Vasiliev, D. A., & Klimushkin, E. I. (2015). Selection of promising industrial strain of Bacillus anthracis for designing phage biopreparation. Bulletin of Ulyanovsk State Agricultural Academy, 3(31), 69-75. https://doi.org/10.18286/1816-4501-2015-3-69-75 EDN: https://elibrary.ru/umibbh
  14. Sheina, N. I. (2012). Criteria for assessing biosafety of microorganisms used in biotechnological industry. Bulletin of Orenburg State University, 6(142), 165-169. EDN: https://elibrary.ru/pdqwfn
  15. Balabanova, L. A., Seitkalieva, A. V., Son, O. M., & Tekutieva, L. A. (2023). Alkaline phosphatases: distribution in nature and biological functions. Cheboksary: Sreda, 144 p. https://doi.org/10.31483/a-10570 ISBN: 978-5-907688-94-0 EDN: https://elibrary.ru/cwswcz
  16. Abdulateef, S.A., Owaif, H.A.A. & Hussein, M.H. (2023). Importance of Virulence Factors in Bacterial Pathogenicity: A Review. International Journal of Medical Science and Clinical Research Studies, 3, 765-769. https://doi.org/10.47191/ijmscrs/v3-i4-35 EDN: https://elibrary.ru/anbklb
  17. Yoo, J.G., Chang, J.-H., Kim, S., Ji, J.-Y., Hong, S.-W. & Park, B.-Y., Oh, M.-H. (2014). Analysis of emetic toxin production by Bacillus species using cellular cytotoxicity, molecular, and chromatographic assays. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 19, 978-983. https://doi.org/10.1007/s12257-014-0574-7 EDN: https://elibrary.ru/xbjteb
  18. Animals in science. EU actions for the protection of animals used for scientific purposes. URL: https://environment.ec.europa.eu/topics/chemicals/animals-science_en
  19. Tuipulotu, D.E., Mathur, A., Ngo, C. & Man, S.M. (2021). Bacillus cereus: Epidemiology, Virulence Factors, and Host-Pathogen Interactions. Trends in Microbiology, 29, 458-471. https://doi.org/10.1016/j.tim.2020.09.003 EDN: https://elibrary.ru/azuevz
  20. Baindara, P. & Aslam, B. (2023). Editorial: Bacillus spp. - Transmission, pathogenesis, host-pathogen interaction, prevention and treatment. Frontiers in Microbiology, 14. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1307723 EDN: https://elibrary.ru/oxhdcx
  21. Sheina, N.I., Budanova, E.V., Pivovarov, Y. & Sazonova, L. (2017). Biosafety Assessment of Microbial Strains Used in Biotechnology According to Their Taxonomy. International Journal of Biomedicine, 7, 51-56. https://doi.org/10.21103/Article7(1)_OA6 EDN: https://elibrary.ru/yginip
  22. Liu, J., Fang, C., Jiang, Y. & Yan, R. (2009). Characterization of a Hemolysin Gene ytjA from Bacillus subtilis. Current Microbiology, 58(6), 642-647. https://doi.org/10.1007/s00284-009-9383-1 EDN: https://elibrary.ru/xwzkzn
  23. Ehling-Schulz, M., Lereclus, D. & Koehler, T.M. (2019). The Bacillus cereus group: Bacillus species with pathogenic potential. Microbiology Spectrum, 7(3). https://doi.org/10.1128/microbiolspec.gpp3-0032-2018 EDN: https://elibrary.ru/kvmmgq
  24. Abdulmawjood, A., Herrmann, J., Riede, S., Jimenez, G., Becker, A. & Breves, G. (2019). Evaluation of enterotoxin gene expression and enterotoxin production capacity of the probiotic strain Bacillus toyonensis BCT-7112T. PLoS One, 14, 1-15. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0214536
  25. Bamba, T., Aoki, R., Hori, Y., Ishikawa, S., Yoshida, K.I., Taoka, N., Kobayashi, S., Yasueda, H., Kondo, A. & Hasunuma, T. (2024). High-throughput evaluation of hemolytic activity through precise measurement of colony and hemolytic zone sizes of engineered Bacillus subtilis on blood agar. Biology Methods and Protocols, 9. https://doi.org/10.1093/biomethods/bpae044 EDN: https://elibrary.ru/wudxjv
  26. Halder, D., Mandal, M., Chatterjee, S.S., Pal, N.K. & Mandal, S. (2017). Indigenous Probiotic Lactobacillus Isolates Presenting Antibiotic like Activity against Human Pathogenic Bacteria. Biomedicines, 5. https://doi.org/10.3390/biomedicines5020031
  27. Kuban-Jankowska, A., Kostrzewa, T. & Gorska-Ponikowska, M. (2022). Bacterial Protein Tyrosine Phosphatases as Possible Targets for Antimicrobial Therapies in Response to Antibiotic Resistance. Antioxidants (Basel), 11(12). https://doi.org/10.3390/antiox11122397 EDN: https://elibrary.ru/pliksr
  28. Rolny, I.S., Ivanna, S.R., Minnaard, J., Racedo, S.M. & Perez, P.F. (2014). Mouse model of gastrointestinal Bacillus cereus infection. Journal of Medical Microbiology, 63, 1741-1749. https://doi.org/10.1099/jmm.0.079939-0
  29. Microbiological agents as notified to EFSA. URL: https://zenodo.org/records/12793271
  30. Caulier, S., Nannan, C., Gillis, A., Licciardi, F., Bragard, F. & Mahillon, J. (2019). Overview of the Antimicrobial Compounds Produced by Members of the Bacillus subtilis Group. Frontiers in Microbiology, 10. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00302 EDN: https://elibrary.ru/zyggwt
  31. Phelps, R.J. & McKillip, J.L. (2002). Enterotoxin Production in Natural Isolates of Bacillaceae outside the Bacillus cereus Group. Applied and Environmental Microbiology, 68(6), 3147-3151. https://doi.org/10.1128/AEM.68.6.3147-3151.2002
  32. Roca, A., Cabeo, M., Enguidanos, C., Martínez-Checa, F., Sampedro, I. & Llamas, I. (2024). Potential of the quorum‐quenching and plant‐growth promoting halotolerant Bacillus toyonensis AA1EC1 as biocontrol agent. Microbial Biotechnology, 17. https://doi.org/10.1111/1751-7915.14420 EDN: https://elibrary.ru/nibfbm
  33. Qualified presumption of safety (QPS). URL: https://www.efsa.europa.eu/en/topics/topic/qualified-presumption-safety-qps
  34. Kim, S.-H., Yehuala, G.A., Bang, W.Y., Yang, J., Jung, Y.H. & Park, M.-K. (2022). Safety Evaluation of Bacillus subtilis IDCC1101, Newly Isolated from Cheonggukjang, for Industrial Applications. Microorganisms, 10. https://doi.org/10.3390/microorganisms10122494 EDN: https://elibrary.ru/fsdvwb
  35. Sharaf, E.F., El-Sayed, W.S. & Abosaif, R.M. (2018). Lecithinase-producing bacteria in commercial and home-made foods: Evaluation of toxic properties and identification of potent producers. Journal of Taibah University for Science, 8, 207-215. https://doi.org/10.1016/j.jtusci.2014.03.006
  36. Soni, J., Sinha, S. & Pandey, R. (2024). Understanding bacterial pathogenicity: a closer look at the journey of harmful microbes. Frontiers in Microbiology, 15. https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1370818 EDN: https://elibrary.ru/rqmuxt
  37. Jeżewska-Frąckowiak, J., Seroczyńska, K., Banaszczyk, J., Jedrzejczak, G., Żylicz-Stachula, A. & Skowron, P.M. (2018). The promises and risks of probiotic Bacillus species. Acta biochimica Polonica, 65, 509-519. https://doi.org/10.18388/abp.2018_2652 EDN: https://elibrary.ru/upxvcn

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».