DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1713017
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41783148
تاريخ النشر: 2026-02-17
المؤلف: Victoria Ioana Paun وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحث القطبي والبيئة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة التسلسل الجيني الكامل الأول والتوصيف الوظيفي لـ *Psychrobacter* sp. SC65A.3، المعزولة من جليد عمره 5000 عام في كهف جليد سكاريوشوارا. تكشف النتائج أن SC65A.3 تظهر نمط مقاومة متعدد الأدوية، مما يدل على النمو عند درجات حرارة تصل إلى 15 درجة مئوية وتحمل الملوحة العالية (1.9 م NaCl و0.9 م MgCl₂). تضع التحليلات النشوء والتطور هذا الكائن ضمن *P. cryohalolentis*، بينما تشير الاختبارات الوظيفية إلى نشاط هيدروليتي واسع ومقاومة لـ 10 مضادات حيوية عبر ثمانية فئات، بما في ذلك السيفالوسبورينات من الجيل الثالث والفلوروكينولونات. حدد تحليل الجينوم الكامل أكثر من 100 جين مقاومة مضادة للميكروبات (AMR)، بما في ذلك محددات ذات صلة سريرياً مثل *ampC* و *gyrA* و *mcr-1*، إلى جانب جينات مرتبطة بمقاومة المعادن الثقيلة وطرد الأدوية المتعددة.
تؤكد النتائج على أن SC65A.3 تعتبر خزاناً مهماً لمقاومات قديمة وخصائص حيوية، مما يبرز إمكانيات كهوف الجليد كبيئات غير مستكشفة لأبحاث AMR. لا يظهر هذا العزل المحب للبرودة فقط ملفاً ظاهرياً وجينياً فريداً، بل يمتلك أيضاً جينات استجابة للإجهاد مرتبطة بالتكيف مع البرودة والحرارة. تؤكد الدراسة على أهمية مراقبة المواطن الطبيعية لمحددات AMR، نظراً للأصول البيئية لـ SC65A.3، وتقترح تطبيقاته المحتملة في التكنولوجيا الحيوية والطب، خاصة في تطوير الإنزيمات النشطة في البرودة. بشكل عام، تسهم هذه الأبحاث في فهمنا لآليات مقاومة الميكروبات القديمة وتأثيراتها على تحديات AMR المعاصرة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الميكروبات المتكيفة مع البرودة، وخاصة الكائنات الدقيقة المحبة للبرودة، في المواطن الجليدية كخزانات للتنوع الجيني وإمكانيات التطبيقات في التكنولوجيا الحيوية النانوية. مع تغطية 20% من سطح الأرض ببيئات مجمدة، فإن فهم هذه الكائنات أمر بالغ الأهمية في ظل التغير المناخي السريع. بينما بدأت الدراسات الحديثة في استكشاف الميكروبيومات في أنظمة الكهوف، بما في ذلك الرواسب الجليدية الدائمة، لا تزال الأبحاث حول المواطن الجليدية المرتبطة بالكهوف محدودة مقارنة بالأدبيات الواسعة حول التربة المتجمدة والجليد القطبي. كشف كهف جليد سكاريوشوارا في رومانيا، أحد أكبر وأقدم كهوف الجليد، عن مجتمع ميكروبي معقد تأثر بالظروف المناخية ومحتوى الكربون العضوي.
بالإضافة إلى ذلك، تتناول المقدمة أهمية المجتمعات الميكروبية القديمة في فهم مقاومة المضادات الحيوية (AMR)، وهي ظاهرة طبيعية تفاقمت بسبب استخدام المضادات الحيوية. قد تحتوي بيئات الكهوف، بظروفها الفريدة، على آليات مقاومة قديمة وملفات أيضية متنوعة، مما يوفر رؤى حول تطور AMR واكتشاف المضادات الحيوية. تركز الدراسة على عزل وتوصيف سلالة جديدة من Psychrobacter من جليد عمره 5000 عام في كهف جليد سكاريوشوارا، مع التأكيد على ملف مقاومته للمضادات الحيوية، وإمكاناته المضادة للميكروبات، وأنشطته الإنزيمية، مما يمثل أول تحليل جينومي لـ Psychrobacter من كهف جليدي واستكشاف مقاومات الميكروبات القديمة في هذه البيئة.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في دراستهم، مع التركيز على العلاقة بين شدة اللون والنشاط الميكروبي. يشيرون إلى أن القيم الجريئة في بياناتهم لا تشير إلى دلالة إحصائية. تشمل العزلات السريرية التي تم فحصها Enterobacter asburiae (19,069 ONE1) وKlebsiella pneumoniae (19,047 ENE4) وسلالتين من Staphylococcus aureus المقاومة للميثيسيلين (MRSA). تلخص النتائج المتعلقة بهذه العزلات في الجدول 3، على الرغم من عدم تفصيل النتائج المحددة في هذا الاقتباس.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج حول أنشطة إنزيمية متنوعة وتفاعلاتها المقابلة. من الجدير بالذكر أنه تم ملاحظة تقليل النترات إلى نتريت، إلى جانب نشاط الفوسفاتاز القلوي. كما حددت الدراسة تقليل النتريت إلى نيتروجين وإنتاج إندول من تريبتوفان، مع مشاركة إنزيمات محددة مثل الإستراز والليباز في هذه العمليات.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن D-glucose خضعت للتخمر، facilitated by lipase، بينما أظهرت الأرجينين ثنائي الهيدروجيناز والليوسين أريلاميداز مستويات نشاط متفاوتة. كانت تحلل الإسكولين بواسطة β-glucosidase إيجابية، بينما أظهر نشاط البروتياز، وخاصة التربسين، عدم نشاط. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم استيعاب السكريات والأحماض المختلفة، بما في ذلك D-mannose وحمض الأدبيك، مما كشف عن مزيج من النتائج الإيجابية والسلبية عبر إنزيمات مختلفة، مع عدم نشاط ملحوظ في عدة حالات مثل α-galactosidase وβ-galactosidase. بشكل عام، تسلط هذه النتائج الضوء على القدرات الإنزيمية المتنوعة والمسارات الأيضية الموجودة في الكائنات المدروسة.
مناقشة
تظهر سلالة Psychrobacter SC65A.3، المعزولة من نواة جليدية عمرها 5000 عام في كهف جليد سكاريوشوارا في رومانيا، إمكانات بيئية وتكنولوجية حيوية كبيرة ككائن محب للبرودة ومعتدل الملحية. تظهر نموًا عند درجات حرارة تتراوح من 4 °C إلى 15 °C وتتحمل ملوحة تصل إلى 1.8 م NaCl و0.9 م MgCl₂. كشفت الهوية الجزيئية عبر تسلسل 16S rRNA عن هوية بنسبة 97% مع Psychrobacter glaciei، مما يدل على علاقتها النشوء والتطور الوثيق ضمن جنس Psychrobacter، المعروف بقدرته على الازدهار في البيئات الباردة والمالحة.
تم توصيف السلالة SC65A.3 من حيث أنشطتها الإنزيمية وملف مقاومة المضادات الحيوية، مما يكشف عن إنتاج ملحوظ لمجموعة متنوعة من الإنزيمات ونمط مقاومة متعدد الأدوية، مع مقاومة لـ 10 من أصل 28 مضاد حيوي تم اختباره. قدم تسلسل الجينوم الكامل رؤى حول تركيبها الجيني، محدداً 2,602 جين، بما في ذلك تلك المرتبطة بمقاومة المضادات الحيوية والنشاط المضاد للميكروبات. تسلط وجود 45 جيناً مرتبطاً بالتكيف الحراري الضوء على تكيفاتها التطورية مع البرودة الشديدة. تؤكد هذه النتائج على أهمية استكشاف الكائنات الدقيقة المتكيفة مع البرودة لتطبيقات تكنولوجية حيوية جديدة وتعزيز فهمنا للتنوع الميكروبي في البيئات القاسية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1713017
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41783148
Publication Date: 2026-02-17
Author(s): Victoria Ioana Paun et al.
Primary Topic: Polar Research and Ecology
Overview
This study presents the first whole-genome sequencing and functional characterization of *Psychrobacter* sp. SC65A.3, isolated from 5,000-year-old ice in Scărișoara Ice Cave. The findings reveal that SC65A.3 exhibits a multidrug-resistance phenotype, demonstrating growth at temperatures up to 15 °C and tolerance to high salinity (1.9 M NaCl and 0.9 M MgCl₂). Phylogenetic analysis places it within *P. cryohalolentis*, while functional assays indicate broad hydrolytic activity and resistance to 10 antibiotics across eight classes, including third-generation cephalosporins and fluoroquinolones. Whole-genome analysis identified over 100 antimicrobial resistance (AMR) genes, including clinically relevant determinants such as *ampC*, *gyrA*, and *mcr-1*, alongside genes associated with heavy metal resistance and multidrug efflux.
The results underscore SC65A.3 as a significant reservoir of ancient resistomes and bioactive traits, highlighting the potential of ice caves as underexplored environments for AMR research. This psychrophilic isolate not only exhibits a unique phenotypic and genotypic profile but also possesses stress-response genes related to cold and heat adaptation. The study emphasizes the importance of monitoring natural habitats for AMR determinants, given the environmental origins of SC65A.3, and suggests its potential applications in biotechnology and medicine, particularly in the development of cold-active enzymes. Overall, this research contributes to our understanding of ancient microbial resistance mechanisms and their implications for contemporary AMR challenges.
Introduction
The introduction highlights the significance of cold-adapted microbes, particularly psychrophilic microorganisms, in icy habitats as reservoirs of genomic diversity and potential applications in bio-nanotechnology. With 20% of Earth’s surface covered by frozen environments, understanding these organisms is crucial amid rapid climate change. While recent studies have begun to explore microbiomes in cave systems, including perennial ice deposits, research on cave-associated icy habitats remains limited compared to the extensive literature on permafrost and polar ice. The Scarisoara Ice Cave in Romania, one of the largest and oldest ice caves, has revealed a complex microbial community influenced by climatic conditions and organic carbon content.
Additionally, the introduction addresses the relevance of ancient microbial communities in understanding antimicrobial resistance (AMR), a natural phenomenon exacerbated by antibiotic use. The cave environments, with their unique conditions, may harbor ancient resistance mechanisms and diverse metabolic profiles, offering insights into AMR evolution and antibiotic discovery. The study focuses on the isolation and characterization of a novel Psychrobacter strain from 5,000-year-old ice in Scarisoara Ice Cave, emphasizing its antibiotic resistance profile, antimicrobial potential, and enzymatic activities, marking the first genomic analysis of Psychrobacter from an ice cave and the exploration of ancient microbial resistomes in this habitat.
Methods
In this section, the authors describe the materials and methods used in their study, focusing on the relationship between color intensity and microbial activity. They note that the bold values in their data do not indicate statistical significance. The clinical isolates examined include Enterobacter asburiae (19,069 ONE1), Klebsiella pneumoniae (19,047 ENE4), and two strains of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). The findings related to these isolates are summarized in Table 3, although specific results are not detailed in this excerpt.
Results
The results section presents findings on various enzymatic activities and their corresponding reactions. Notably, the reduction of nitrates to nitrites was observed, alongside the activity of alkaline phosphatase. The study also identified the reduction of nitrites to nitrogen and the production of indole from tryptophan, with specific enzymes such as esterase and lipase being involved in these processes.
Further, the results indicate that D-glucose underwent fermentation, facilitated by lipase, while arginine dihydrolase and leucine arylamidase exhibited varying levels of activity. The hydrolysis of esculin by β-glucosidase was positive, whereas protease activity, specifically trypsin, showed no activity. Additionally, the assimilation of various sugars and acids, including D-mannose and adipic acid, was assessed, revealing a mix of positive and negative results across different enzymes, with notable inactivity in several cases such as α-galactosidase and β-galactosidase. Overall, these findings highlight the diverse enzymatic capabilities and metabolic pathways present in the studied organisms.
Discussion
The Psychrobacter SC65A.3 strain, isolated from a 5,000-year-old ice core in Romania’s Scarisoara Ice Cave, exhibits significant ecological and biotechnological potential as a psychrophilic and moderate halophilic bacterium. It demonstrates growth at temperatures ranging from 4 °C to 15 °C and tolerates salinities of up to 1.8 M NaCl and 0.9 M MgCl₂. Molecular identification via 16S rRNA sequencing revealed a 97% identity with Psychrobacter glaciei, indicating its close phylogenetic relationship within the Psychrobacter genus, which is known for thriving in cold and saline environments.
The strain SC65A.3 was characterized for its enzymatic activities and antibiotic resistance profile, revealing notable production of various enzymes and a multidrug-resistant phenotype, with resistance to 10 out of 28 tested antibiotics. Whole-genome sequencing provided insights into its genetic makeup, identifying 2,602 genes, including those associated with antibiotic resistance and antimicrobial activity. The presence of 45 genes linked to thermal adaptation highlights its evolutionary adaptations to extreme cold. These findings underscore the importance of exploring cold-adapted microorganisms for novel biotechnological applications and enhancing our understanding of microbial diversity in extreme environments.