Лаборатория регуляции экспрессии генов микроорганизмов | Институт молекулярной генетики РАН

Хмель Инесса Александровна

Хмель Инесса Александровна
Заведующий лабораторией
Ученая степень:
доктор биологических наук
Ученое звание:
Профессор
Адрес электронной почты:
Телефон:
   
   
   
   

Основные направления исследований

  1. Плазмиды бактерий: молекулярно-генетические и функциональные исследования (1973—1990).
  2. Антибиотики энтеробактерий микроцины, генетические детерминанты синтеза, механизмы действия (1990—2006).
  3. Quorum Sensing (QS) регуляция экспрессии генов бактерий: молекулярно-генетические и функциональные исследования, роль в регуляции клеточных процессов. Регуляция образования биопленок бактерий (с 2003 по настоящее время).
  4. Летучие органические соединения (ЛОС), синтезируемые бактериями: природа, действие на различные биологические объекты, механизмы действия, функциональная роль (с 2011 по настоящее время).
  5. Взаимодействие наночастиц металлов с бактериальной клеткой. Биогенез наночастиц с использованием бактериальных культур (с 2009 по настоящее время).
   
   

Основные достижения

I.  Плазмиды бактерий: молекулярно-генетические и функциональные исследования (1973—1990).
Изучены генетический контроль и регуляция репликации группы мультикопийных колициногенных плазмид. Идентифицированы участки плазмид, ответственные за их автономную репликацию, определены нуклеотидные последовательности и структура репликативного аппарата.
Исследованы механизмы индукции синтеза колицинов (антибиотиков белковой природы,  кодируемых плазмидными генами). Определена структура колицинового оперона плазмиды ColD.
Выяснен механизм защитного и повышающего индуцированный мутагенез действия колициногенных плазмид ColIb и ColIa. Установлено, что эффект плазмид при УФ-облучении обусловлен действием кодируемых ими плазмидных продуктов – функциональных аналогов продуктов хромосомных генов umuC и umuD.
 
II.  Антибиотики энтеробактерий микроцины, генетические детерминанты синтеза, механизмы действия (1990—2006).
Изучена способность энтеробактерий синтезировать антибиотики микроцины, показана плазмидная природа генов, участвующих в их синтезе. Исследован  микроцин С51,  нуклеотидпептидный антибиотик с необычной структурой,  выделенный в Лаборатории, и генетические детерминанты его синтеза. Определена нуклеотидная последовательность оперона и идентифицированы полипептиды, связанные с синтезом микроцина и иммунитетом к нему клеток продуцента. Показана возможность горизонтального переноса кластера генов, связанных с синтезом микроцина.
Установлен механизм ингибирования трансляции микроцином С. Показано, что микроцин  процессируется внутри чувствительной клетки, образуя модифицированный аспартил-аденилат, конкурентный ингибитор аспартил-тРНК синтетазы (совместно с группой К. В. Северинова).
Изучены особенности регуляции экспрессии бактериальных генов, функционирующих в отсутствие активного роста клеток, на модели оперона микроцина С51. Показано, что экспрессия оперона микроцина активируется при переходе клеток E. coli в стационарную  фазу роста, и осуществляется при участии сложной регуляторной сети, включающей четыре глобальных регулятора транскрипции. Проведен детальный анализ и сайт-специфический мутагенез промоторной области микроцинового оперона, определены сайты, существенно важные для регуляции экспрессии  оперона.
 
III.  Quorum Sensing (QS) регуляция экспрессии генов бактерий: молекулярно-генетические и функциональные исследования, роль в регуляции клеточных процессов (с 2003 по настоящее время).
 Изучена  способность  синтезировать  аутоиндукторы Quorum Sensing (QS) систем регуляции N-ацил-гомосеринлактоны (АГЛ) у более  200 штаммов почвенных и ризосферных псевдомонад, выделенных в различных географических зонах; синтез АГЛ наблюдали у 17% исследованных штаммов.  
Подробно исследованы   QS системы  модельных штаммов Pseudomonas chlororaphis 449,  Burkholderia cenocepacia 370, S. proteamaculans 94.  Идентифицированы, клонированы и секвенированы гены  QS систем, определена их организация,  выяснена роль глобальных регуляторов транскрипции в контроле экспрессии генов QS систем.  Получены данные о роли QS систем в регуляции клеточных процессов бактерий.
Показано стимулирующее действие субингибиторных концентраций нитрофуранов, доноров NO, растительных фенольных соединений, некоторых фитогормонов, в том числе, салициловой кислоты, и перекиси водорода на образование бактериальных биопленок. При действии фенолов и перекиси водорода этот эффект был связан с QS регуляцией экспрессии бактериальных генов. При увеличении концентраций этих соединений они ингибировали образование биопленок. Полученные данные важны для медицины, т.к.  патогенные бактерии, живущие в биопленках, существенно более устойчивы к действию антибактериальных агентов, чем свободно живущие бактерии. Поэтому данные о стимуляции образования биопленок низкими концентрациями антибактериальных агентов должны учитываться при  определении схем антибактериальной терапии с использованием препаратов, содержащих указанные соединения или их производные.
 
IV.  Летучие органические соединения (ЛОС), синтезируемые бактериями: природа, действие на различные биологические объекты, механизмы действия, функциональная роль (с 2011 по настоящее время).
 Показана способность бактерий родов Pseudomonas и Serratia синтезировать летучие органические соединения (ЛОС), индивидуальные ЛОС были идентифицированы (совместно с Д-р. L. Chernin, Иерусалимский Университет, Израиль). Показано, что общий пул летучих соединений и индивидуальные ЛОС (диметилдисульфид, кетоны)  подавляли рост фитопатогенных бактерий и грибов, цианобактерий,  образование бактериальных биопленок.   ЛОС бактерий могут также оказывать летальное действие на насекомых (дрозофила) и нематод.
 Впервые показано, что ЛОС подавляют функционирование QS систем регуляции бактерий.
 
V.  Взаимодействие наночастиц металлов с бактериальной клеткой. Биогенез наночастиц с использованием бактериальных культур (с 2009 по настоящее время).
Изучено действие наночастиц серебра и золота и ионов этих металлов  на рост, жизнеспособность и образование биопленок бактерий.
Показано, что мутации в генах, ответственных за репарацию окислительных повреждений ДНК, увеличивали чувствительность клеток E. coli к НЧС и ионам серебра, что предполагает участие указанных генов в репарации повреждений ДНК, вызванных соединениями серебра.
Получены данные  о важной роли поринов в антибактериальном действии наночастиц и ионов серебра.
Проведены эксперименты по получению наночастиц золота  методом «зеленого синтеза» в культурах цианобактерий и Azotobacter; установлена важность процесса азотфиксации для биогенеза наночастиц.
    
    

Основные публикации

  1. Khmel, I.A., V.M. Bondarenko, I.M. Manokhina, E.I. Basyuk, A.Z.   Metlitskaya, V.A. Lipasova,   and Yu. M  Romanova.   Isolation and characterization of Escherichia coli strains producing  microcins of B and C types. FEMS Microbiol. Lett. 1993, v. 111, 269-274. 
  2. Kurepina, N.E., E.I. Basyuk, A.Z. Metlitskaya, D.A.Zaitsev,  and I.A . Khmel. 1993.  Cloning and  mapping of the genetic determinants  for microcin C51 production and immunity. Mol .Gen.   Genet. 1993, v.  241, 700-706. 
  3. Metlitskaya,  A.Z., G.S. Katrukha, A.S. Shashkov, D.A. Zaitsev, Ts.A. Egorov,  I.A. Khmel.  Structure of microcin C51, a new antibiotic with a broad spectrum of activity. FEBS Letters, 1995, v.  357, 235-238. 
  4. Khmel I.A., Sorokina T.A., Lemanova N.B., Lipasova V.A., Metlitski O.Z., Burdeinaya T.V., Chernin L.S. Biological control of crown gall in grapewine and raspberry by two Pseudomonas spp. with a wide spectrum of antagonistic activity. Biocontrol Science and Technology, 1998, v. 8, 45-57. 
  5. Fomenko D., Veselovskii A., Khmel I. Regulation of the microcin  C51 operon expression: the role of global regulators of transcription. Research in   Microbiology,  2001, v. 152, 469-479. 
  6. Fomenko D.M., Metlitskaya A.Z., Peduzzi J., Goulard C., Katrukha G.S., Gening, L.V., Rebuffat S., Khmel I.A.  Microcin C51 plasmid genes: possible  source of  horizontal gene transfer. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2003, v. 47,  2868-2874.
  7. Veselova M., Kholmeckaya M., Klein S., Voronina E., Lipasova V.,  Metlitskaya A., Mayatskaya A., Lobanok E., Khmel I., Chernin L.  Production of N-acylhomoserine lactone signal molecules by Gram-negative soil-borne and plant- associated  bacteria. Folia Microbiol., 2003, v. 48, 794-798.
  8. Сhernin L.,  Klein S.,  Khmel I.,   Veselova M., Metlitskaya  A., Bass I.,  Mayatskaya  A.,    Kholmeckaya M., Lobanok L.,  Liu  Xiaoguang,   Chet I.  Intracellular communication  in the environment and  biocontrol  activity of  plant-associated bacteria producing N-acyl homoserine  lactone  signal molecules.  Scientific Israel - Technological Advantages,  2004, v. 6,  No 1-2  "Environmental  Engineering&Energy Engineering", pp. 19-30.          
  9. Khmel I.A. Regulation of expression of bacterial genes in the absence of active cell  growth. Russian Journal of Genetics, 2005, v. 41, 968-984.
  10. Khmel I.A., Ovadis M.I., Mayatskaya A.V., Veselovskii A.M., Bass I.A., Lipasova V.A., Bolshoy A., Chet I., Chernin L.S. Activity of Serratia plymuthica IC1270 gene chiA promoter region in Escherichia coli mutants deficient in global regulators of transcription. J. Basic Microbiol. 2005,  v. 45, 426-437.
  11. Khmel I.A., Metlitskaya A.Z. Quorum Sensing regulation of gene expression: a promising target for drugs against bacterial pathogenicity. Molecular Biology (Russian)  2006,  40, 169-182.
  12. Metlitskaya A., Kazakov T., Kommer A., Pavlova O., Praetorius-Ibba M., Ibba M.,  Krasheninnikov I., Kolb V., Khmel I.,  Severinov K. Aspartyl-tRNA synthetase is  the  target of peptidenucleotide antibiotic microcin C. J.Biol. Chem., 2006, v. 281, 18033-18042.
  13. Belik AS, Zavil'gel'skiĭ GB, Khmel IA. Influence of mutations at genes of global  transcriptional regulators on production of autoinducer AI-2 of Quorum Sensing system of Escherichia coli. Russian J. of Genetics, 2008 v., 44,1184-1190.
  14. Veselova M, Klein Sh, Bass IA, Lipasova VA, Metlitskaia AZ, Ovadis MI, Chernin LS, Khmel IA. Quorum sensing systems of regulation, synthesis of phenazine antibiotics, and antifungal activity in rhizospheric bacterium Pseudomonas chlororaphis 449. Russian J. of Genetics, 2008, v. 44, 1617-1626.
  15. Shedova E., Lipasova V., Velikodvorskaya G., Ovadis M., Chernin L., Khmel I. Phytase activity and its regulation in a rhizospheric strain of Serratia plymuthica. Folia   Microbiol. 2008,  v. 53, 110-114.
  16. Zaitseva J., Granik V., Belik A., Koksharova O., Khmel I. Effect of nitrofurans and NO  generators on biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa PAO1 and Burkholderia  cenocepacia 370. Research in Microbiology. 2009, v. 160, 353-357.
  17. Lipasova V.A., Atamova E.E., Veselova M.A., Tarasova N.N., Khmel I.A. Expression of N-acyl-homoserine lactonase AiiA gene affects properties of   rhizospheric strain Pseudomonas chlororaphis 449. Russian J. of Genetics, 2009,  v. 45, 38-42.
  18. Veselova M., Lipasova V., Protsenko M.A., Buza N., Khmel I.A. GacS-Dependent  regulation of  enzymic and antifungal activities and synthesis of N-acylhomoserine  lactones in rhizospheric  strain Pseudomonas chlororaphis 449. Folia  Microbiologica. 2009,  v. 54, 401–408.
  19. Zaitseva Iu.V, Voloshina P.V., Liu X., Ovadis M.I., Berg G., Chernin .S., Khmel I.A. Involvement of the global regulators GrrS, RpoS, and SplIR in formation of biofilms in Serratia plymuthica. Russian J. of Genetics, 2010, v. 46, 616-621.
  20. Nadtochenko V.A., Radtsig M.A., Khmel I.A. Antimicrobial effect of metallic and  semiconductor nanoparticles. Nanotechnologies in Russia, 2010, v. 5, 277-289.
  21. Dandurishvili N., Toklikishvili N., Ovadis M.,  Eliashvili P., Giorgobiani N., Keshelava R., Tediashvili M., Vainshtein A., Khmel I., Szegedi E., Chernin L. Broad-range antagonistic rhizobacteria Pseudomonas fluorescens and Serratia plymuthica suppress Agrobacterium crown gall tumours on tomato plants. J. Appl.Microbiol. 2011, 110 (1), 341-352.
  22. Chernin L., Toklikishvili N., Ovadis M., Kim S., Ben-Ari J., Khmel I., Vainstein A. Quorum-sensing quenching by rhizobacterial volatiles. Environmental Microbiology Reports, 2011, v. 3,  698-704.
  23. Veselova MA, Lipasova VA, Zaĭtseva IuV, Koksharova OA, Chernukha MIu,  Romanova IuM, Khmel IA. Mutants of Burkholderia cenocepacia with a change in synthesis of N-acyl-homoserine lactones--signal molecules of Quorum Sensing regulation. Russian J. of Genetics,. 2012, v. 48, 608-616.
  24. M.A. Radzig, V.A. Nadtochenko, O.A. Koksharova , J. Kiwi, V.A. Lipasova ,   I.A. Khmel. Antibacterial effects of silver nanoparticles on Gram-negative bacteria: influence on the growth and biofilms formation, mechanisms of action. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2013, v. 102, 300-306.
  25. Plyuta V.A., Zaitseva J, Lobakova E, Zagoskina N, Kuznetsov A,  Khmel I. Effect of plant phenolic compounds on biofilm formation by Pseudomonas  aeruginosaAPMIS. 2013, v. 121, 1073-1081.
  26. Chernin L., Toklikishvili N., Ovadis M., Khmel I. Quorum-Sensing quenching by  volatile organic compounds emitted by rhizosphere bacteria. In: Molecular Microbiol. Ecology of the Rhizosphere, v. 2, Ed. By Frans J. de     Bruijn, 2013, John Wiley & Sons, Inc. P. 791-800.
  27. Plyuta V.A., Lipasova V.A., Kuznetsov A.E., Khmel I.A. Effect of salicylic, indole-3-acetic, gibberellic, and abscisic acids on biofilm formation by Agrobacterium tumefaciens C58 and Pseudomonas aeruginosa PAO1. Applied Biochemistry and Microbiology, 2013, V. 49 N 8, P. 706-710
  28. Zaitseva Yu.V., Popova A.A., Khmel I.A. Quorum Sensing regulation in bacteria of the family Enterobacteriaceae. Russian J. of Genetics, 2014, v. 50, 323-340.
  29. A.  A. Popova, O. A. Koksharova, V. A. Lipasova, Ju. V. Zaitseva, O. A. Katkova-Zhukotskaya, S. Iu. Eremina, A. S. Mironov, L. S. Chernin, I. A. Khmel. Inhibitory and toxic Effects of Volatiles emitted by Strains of Pseudomonas and Serratia on Growth and Survival of selected Microorganisms, Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster.  BioMed Research International,   Volume 2014, Article ID 125704, 11 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2014/125704