Кишечная палочка

Материал из wikixw
Перейти к навигации Перейти к поиску

"Кишечная палочка" перенаправляет сюда. О простейших комменсалах см. О сером ките см. Escherichtius robustus. Эта статья посвящена Escherichia coli как виду. Для E. coli в медицине см. Патогенная кишечная палочка. Для E. coli в молекулярной биологии, см Escherichia coli (молекулярная биология).

Кишечная палочка (/ˌɛʃəˈРɪкмнеə ˈK вофислaɪ/), также известная как кишечная палочка (/ˌiː ˈK вофислaɪ/), представляет собой грамотрицательные, факультативно-анаэробные, палочковидные, колиформные бактерии рода кишечной что обычно находится в нижней кишечника от теплокровных организмов. большинство штаммов E. coli штаммов безвредны, но некоторые серотипы (ЕРЕС, ЕТЕС и т. д.) может вызвать серьезное пищевое отравление у своих хозяев, а иногда ответственность за загрязнение пищевых продуктов инцидентов, которые подскажут продукции. Безвредные штаммы являются частью нормальной микробиоты кишечника и могут приносить пользу своим хозяевам, производя витамин К2, и предотвращая колонизацию кишечника патогенными бактериями, имея мутуалистические отношения. E. coli изгоняется в кишечник.окружающая среда в фекалиях. Бактерия массово растет в свежих фекалиях в аэробных условиях в течение трех дней, но затем ее численность медленно снижается.

Кишечная палочка и другие факультативные анаэробы составляют около 0,1% микробиоты кишечника, а фекально–оральная передача является основным путем, по которому патогенные штаммы бактерии вызывают заболевание. Клетки способны выживать вне организма в течение ограниченного промежутка времени, что делает их потенциальными индикаторными организмами для проверки образцов окружающей среды на фекальное загрязнение. Тем не менее, растет число исследований, посвященных изучению экологически стойкой кишечной палочки, которая может выживать в течение многих дней и расти вне хозяина

Бактерия легко и недорого выращивается и культивируется в лабораторных условиях и интенсивно исследуется уже более 60 лет. E. coli - это хемогетеротроп, химически определенная среда которого должна включать источник углерода и энергии. E. coli является наиболее широко изученным прокариотическим модельным организмом и важным видом в области биотехнологии и микробиологии, где он служил организмом-хозяином для большинства работ с рекомбинантной ДНК. При благоприятных условиях размножение занимает всего 20 минут

Модель последовательного бинарного деления в E. coli

Биология и биохимия[править]

Тип и морфология[править]

E. coli - грамотрицательная факультативно-анаэробная непористая кишечная палочка.Клетки обычно имеют палочковидную форму и имеют длину около 2,0 мкм и диаметр 0,25-1,0 мкм, с объемом клеток 0,6–0,7 мкм 3. Антибиотикиможет эффективно лечить инфекции кишечной палочки вне пищеварительного тракта и большинство кишечных инфекций, но не используется для лечения кишечных инфекций одним штаммом этих бактерий. Жгутики, которые позволяют бактериям плавать, имеют перитрихоз. Он также прикрепляется и стирается к микроворсинкам кишечника черезмолекула адгезии, известная как интимин.

Метаболизм[править]

Кишечная палочка может жить на самых разных субстратах и использует смешанное кислотное брожение в анаэробных условиях, производя лактат, сукцинат, этанол, ацетат и углекислый газ. Поскольку многие пути в смешанной кислой ферментации производят газообразный водород, эти пути требуют низкого уровня водорода, как в случае, когда E. coli живет вместе с потребляющими водород организмами, такими как метаногены или сульфатредуцирующие бактерии.

Кроме того, метаболизм E. coli может быть перепрограммирован для использования исключительно CO2 в качестве источника углерода для производства биомассы. Другими словами, метаболизм этого облигатного гетеротрофа может быть изменен для проявления автотрофных способностей путем гетерологичной экспрессии генов фиксации углерода, а также формиатдегидрогеназы и проведения лабораторных эволюционных экспериментов. Это может быть сделано с помощью формиата для уменьшения носителей электронов и обеспечения АТФ, необходимого в анаболических путях внутри этих синтетических автотрофов.

Кишечная палочка имеет три нативных гликолитических пути: EMPP, EDP и OPPP. EMPP использует десять ферментативных стадий для получения двух пируватов, двух АТФ и двух НАДН на молекулу глюкозы, в то время как OPPP служит путем окисления для синтеза NADPH. Хотя EDP является более термодинамически благоприятным из трех путей, E. coli не используют EDP для метаболизма глюкозы, полагаясь в основном на EMPP и OPPP. EDP в основном остается неактивным, за исключением роста с помощью глюконата.

Подавление катаболитов[править]

При выращивании в присутствии смеси сахаров бактерии часто потребляют сахара последовательно через процесс, известный как репрессия катаболита. Подавляя экспрессию генов, участвующих в метаболизме менее предпочтительных сахаров, клетки обычно сначала потребляют сахар, дающий самую высокую скорость роста, а затем сахар, дающий следующую самую высокую скорость роста, и так далее. При этом клетки гарантируют, что их ограниченные метаболические ресурсы используются для максимизации скорости роста. Хорошо используемый пример этого с E. coli включает рост бактерии на глюкозе и лактозе, где E. coli будет потреблять глюкозу перед лактозой. Подавление катаболитов также наблюдалось у E.coli в присутствии других сахаров, не содержащих глюкозу, таких как арабиноза и ксилоза, сорбит, рамноза и рибоза. В E. coli репрессия катаболита глюкозы регулируется фосфотрансферазной системой, каскадом фосфорилирования нескольких белков, который связывает поглощение глюкозы и метаболизм.

Рост культуры[править]

Оптимальный рост E. coli происходит при 37 ° C (98,6 ° F), но некоторые лабораторные штаммы могут размножаться при температуре до 49 ° C (120 ° F). E. coli растет в различных определенных лабораторных средах, таких как лизогенный бульон или любая среда, содержащая глюкозу, фосфат аммония одноосновный, хлорид натрия, сульфат магния, фосфат калия двухосновный и вода. Рост может быть вызван аэробным или анаэробным дыханием, использующим большое разнообразие окислительно-восстановительных пар, включая окисление пировиноградной кислоты, муравьиной кислоты, водорода и аминокислот, а также восстановление субстратов, таких как кислород, нитрат, фумарат, диметилсульфоксид и N-оксид триметиламина. Кишечная палочка классифицируется как факультативный анаэроб. Он использует кислород, когда он присутствует и доступен. Он может, однако, продолжать расти в отсутствие кислорода, используя ферментацию или анаэробное дыхание. Способность продолжать расти в отсутствие кислорода является преимуществом для бактерий, поскольку их выживание увеличивается в средах, где преобладает вода

Клеточный цикл[править]

Основная статья: Клеточный цикл

Перераспределение потоков между тремя первичными катаболическими путями глюкозы: EMPP (красный), EDP (синий) и OPPP (оранжевый) через нокаут pfkA и сверхэкспрессию генов EDP (edd и eda).

Бактериальный клеточный цикл делится на три стадии. Период B происходит между завершением деления клеток и началом репликации ДНК. Период C охватывает время, необходимое для репликации хромосомной ДНК. Период D относится к стадии между завершением репликации ДНК и окончанием деления клеток. Скорость удвоения E. coli выше, когда доступно больше питательных веществ. Однако продолжительность периодов C и D не меняется, даже когда время удвоения становится меньше суммы периодов C и D. При самых быстрых темпах роста репликация начинается до завершения предыдущего раунда репликации, что приводит к множественным вилкам репликации вдоль ДНК и перекрывающимся клеточным циклам.

Число вилок репликации в быстрорастущей E. coli обычно следует за 2n (n = 1, 2 или 3). Это происходит только в том случае, если репликация инициируется одновременно из всех источников репликации и называется синхронной репликацией. Однако не все клетки в культуре реплицируются синхронно. В этом случае клетки не имеют кратных двух вилок репликации. Инициация репликации тогда называется асинхронной.[32] Однако асинхронность может быть вызвана мутациями, например, DnaA или DnaA-инициатор-ассоциирующий белок DiaA.

Генетическая адаптация[править]

E. coli и родственные бактерии обладают способностью переносить ДНК посредством бактериальной конъюгации или трансдукции, что позволяет генетическому материалу распространяться горизонтально через существующую популяцию. Процесс трансдукции, в котором используется бактериальный вирус, называемый бактериофагом, заключается в том, что распространение гена, кодирующего токсин Сига, от бактерий Shigella к E. coli помогло произвести E. coli O157: H7, штамм E. coli, продуцирующий токсин Сига.

Разнообразие[править]

Кишечная палочка включает в себя огромную популяцию бактерий, которые демонстрируют очень высокую степень как генетического, так и фенотипического разнообразия. Секвенирование генома многих изолятов E. coli и родственных бактерий показывает, что таксономическая реклассификация была бы желательной. Однако это не было сделано, во многом из-за ее медицинского значения, и E. coli остается одним из самых разнообразных видов бактерий: только 20% генов в типичном геноме E. coli являются общими для всех штаммов.

На самом деле, с более конструктивной точки зрения, члены рода Shigella (S. dysenteriae, S. flexneri, S. boydii и S. sonnei) следует классифицировать как штаммы E. coli, явление, называемое замаскированными таксонами.Аналогичным образом, другие штаммы E. coli (например, штамм K-12, обычно используемый в работе с рекомбинантной ДНК) достаточно различны, чтобы их можно было реклассифицировать.

Штамм - это подгруппа внутри вида, обладающая уникальными характеристиками, отличающими ее от других штаммов. Эти различия часто обнаруживаются только на молекулярном уровне; однако они могут привести к изменениям физиологии или жизненного цикла бактерии. Например, штамм может приобрести патогенную способность, способность использовать уникальный источник углерода, способность занимать определенную экологическую нишу или способность противостоять противомикробным агентам. Различные штаммы E. coli часто специфичны для хозяина, что позволяет определить источник фекального загрязнения в образцах окружающей среды. Например, знание того, какие штаммы E. coli присутствуют в образце воды, позволяет исследователям делать предположения о том, произошло ли загрязнение от человека, другого человека.млекопитающее, или птица

Серотипы[править]

Основная статья: Патогенная кишечная палочка § Серотипы

Колония кишечной палочки растет

Общая система деления E. coli, но не основанная на эволюционном родстве, состоит из серотипа, который основан на основных поверхностных антигенах (O антиген: часть липополисахаридного слоя; H: флагеллин; K антиген: капсула), например O157: H7).привести только серогруппу, т.е. О-антиген. В настоящее время известно около 190 серогрупп. Распространенный лабораторный штамм имеет мутацию, препятствующую образованию О-антигена, и поэтому не поддается типизации.

Пластичность и эволюция генома[править]

E. coli растет на основных питательных средах.

Как и все формы жизни, новые штаммы E. coli развиваются в результате естественных биологических процессов мутации, дупликации генов и горизонтального переноса генов; в частности, 18% генома лабораторного штамма MG1655 было приобретено горизонтально с момента расхождения с сальмонеллой.[40] E. coli K-12 и E. coli Bштаммы являются наиболее часто используемыми разновидностями для лабораторных целей. Некоторые штаммы развивают черты, которые могут быть вредны для животного-хозяина. Эти вирулентные штаммы обычно вызывают приступ диареи, который часто самоограничивается у здоровых взрослых, но часто смертельен для детей в развивающихся странах. Более вирулентные штаммы, такие как O157: H7, вызывают серьезные заболевания или смерть у пожилых людей, очень молодых или с ослабленным иммунитетом.

Роды Escherichia и Salmonella разошлись около 102 миллионов лет назад (интервал достоверности: 57-176 млн лет назад), событие, не связанное с гораздо более ранней (см. Синапсид) дивергенцией их хозяев: первый встречается у млекопитающих, а второй - у птиц и рептилий. За этим последовало разделение предка Escherichia на пять видов (E. albertii, E. coli, E. fergusonii, E. hermannii и E. vulneris). Последний предок E. coli разделился между 20 и 30 миллионами лет назад.

Долгосрочные эволюционные эксперименты с использованием E. coli, начатые Ричардом Ленски в 1988 году, позволили непосредственно наблюдать эволюцию генома в течение более 65 000 поколений в лаборатории. Например, E. coli обычно не имеют способности расти аэробно с цитратом в качестве источника углерода, который используетсякак диагностический критерий, с помощью которого можно дифференцировать E. coli от других, тесно связанных бактерий, таких как сальмонелла. В этом эксперименте одна популяция E. coli неожиданно развила способность к аэробному метаболизму цитрата, что является важным эволюционным сдвигом с некоторыми признаками микробного видообразования.

В микробном мире могут быть установлены отношения хищничества, аналогичные тем, которые наблюдаются в животном мире. Считается, что кишечная палочка является добычей нескольких универсальных хищников, таких как Myxococcus xanthus. В этих отношениях хищник-жертва наблюдается параллельная эволюция обоих видов через геномные и фенотипические модификации, в случае E. coli модификации модифицируются в двух аспектах, связанных с их вирулентностью, таких как продукция мукоидов (избыточная продукция альгината экзоплазматической кислоты ) и подавление гена ompT, продуцирующего вбудущие поколения - лучшая адаптация одного из видов, которой противодействует эволюция другого, следуя коэволюционной модели, продемонстрированной гипотезой Красной королевы.

Штамм неотипа[править]

E. coli - типовой вид рода (Escherichia) и в свою очередь Escherichia - типовой род семейства Enterobacteriaceae, где фамилия происходит не от рода Enterobacter + "i" (sic.) + "aceae", а от "enterobacterium" + "aceae" (enterobacteriumбудучи не родом, а альтернативным тривиальным названием кишечной бактерии).

Считается, что исходный штамм, описанный Эшерихом, утрачен, поэтому в качестве представителя был выбран штамм нового типа (неотип): штамм неотипа U5 / 41 T, также известный под названиями месторождений DSM 30083,[50] ATCC 11775, и NCTC 9001,[52] который является патогенным для цыплят и имеет серотип O1:K1: H7. Однако в большинстве исследований в качестве представителя E. coli использовали либо O157:H7, K-12 MG1655, либо K-12 W3110. Геном этого типа штамма был секвенирован только недавно.

Филогения штаммов кишечной палочки[править]

Многие штаммы, принадлежащие к этому виду, были выделены и охарактеризованы. В дополнение к серотипу (см. Выше), они могут быть классифицированы в соответствии с их филогенией, то есть предполагаемой эволюционной историей, как показано ниже, где вид разделен на шесть групп. В частности, использование целых последовательностей генома дает высоко поддерживаемые филогении. На основании таких данных было выделено пять подвидов E. coli.

Связь между филогенетическим расстоянием ("родством") и патологией невелика, например, штаммы серотипа O157: H7, которые образуют кладу ("исключительную группу") — группа E ниже — все энтерогеморрагические штаммы (EHEC), но не все штаммы EHEC тесно связаны. На самом деле, четыре различных вида шигелл гнездятся среди штаммов E. coli (vide supra), в то время как E. albertii и E. fergusonii находятся вне этой группы. Действительно, все виды шигелл были помещены в один подвид E. coli в филогеномном исследовании, которое включало штамм типа, и по этой причине соответствующая реклассификация затруднена. Все широко используемые исследовательские штаммы E. coli относятся к группе А и получены в основном из штамма К-12 Клифтона (λ+ F+; O16) и в меньшей степени из штамма Bacillus coli д'Эреля (B штамм) (O7).

Геномика[править]

Первая полная последовательность ДНК генома E. coli (лабораторный штамм K-12 производное MG1655) была опубликована в 1997 году. Это круговая молекула ДНК длиной 4,6 миллиона пар оснований, содержащая 4288 аннотированных белок-кодирующих генов (организованных в 2584 оперона), семь оперонов рибосомальной РНК (рРНК) и 86 генов переносной РНК (тРНК). Несмотря на то, что они были предметом интенсивного генетического анализа в течение около 40 лет, многие из этих генов ранее были неизвестны. Плотность кодирования оказалась очень высокой, со средним расстоянием между генами всего 118 пар оснований. В геноме обнаружено значительное количество транспонируемых генетических элементов, повторов, криптических профагов и остатков бактериофагов.

Известно более трехсот полных геномных последовательностей видов Escherichia и Shigella. Последовательность генома штамма E. coli была добавлена в эту коллекцию до 2014 года. Сравнение этих последовательностей показывает замечательное разнообразие; только около 20% каждого генома представляют последовательности, присутствующие в каждом из изолятов, в то время как около 80% каждого генома может варьироваться среди изолятов. Каждый отдельный геном содержит от 4000 до 5500 генов, но общее количество различных генов среди всех секвенированных штаммов E. coli (пангенома) превышает 16 000. Это очень большое разнообразие компонентов генов было истолковано как означающее, что две трети пангенома E. coli произошли от других видов и прибыли через процесс горизонтального переноса генов.

Номенклатура генов[править]

Гены E. coli обычно называются в соответствии с единой номенклатурой, предложенной Demerec et al.[58] Названия генов представляют собой 3-буквенные аббревиатуры, которые происходят от их функции (когда они известны) или мутантного фенотипа и выделены курсивом. Когда несколько генов имеют одну и ту же аббревиатуру, разные гены обозначаются заглавной буквой, которая следует за аббревиатурой и также выделена курсивом. Например, RecA назван в честь его роли в гомологичной рекомбинации плюс буква A. Функционально родственные гены называются RecB, recC, recD и т. Д. Белки называются прописными аббревиатурами, например RecA, RecB и т. Д. Когда геном штамма E. coli K-12 substr. MG1655 был секвенирован, все известные или предсказанные гены, кодирующие белок, были пронумерованы (более или менее) в их порядке на геноме и сокращены номерами b, такими как b2819 (= recD). Названия "b" были созданы в честь Фреда Б. Латтнера, который возглавлял работу по последовательности генома. Другая система нумерации была введена с последовательностью другого субстрата E. coli K-12, W3110, который был секвенирован в Японии и, следовательно, использует номера, начинающиеся с JW ... (J apanese W 3110), например, JW2787 (= recD). Следовательно, recD = b2819 = JW2787. Обратите внимание, однако, что большинство баз данных имеют свою собственную систему нумерации, например, база данных EcoGene использует EG10826 для recD. Наконец, номера ECK специально используются для аллелей в штамме MG1655 E. coli K-12. Полные списки генов и их синонимов можно получить из таких баз данных, как EcoGene или Uniprot.

Протеомика[править]

Протеом[править]

Несколько исследований исследовали протеом E. coli. К 2006 году было экспериментально идентифицировано 1627 (38%) из 4237 открытых рамок считывания (ОРФ).Представлена последовательность пар 4,639,221 оснований Escherichia coli K-12. Из 4288 аннотированных белок-кодирующих генов 38 процентов не имеют приписываемой функции. Сравнение с пятью другими секвенированными микробами показывает вездесущие, а также узко распределенные семейства генов; многие семейства подобных генов в E. coli также очевидны. Самое большое семейство паралогичных белков содержит 80 ABC-транспортеров. Геном в целом поразительно организован относительно локального направления репликации; гуанины, олигонуклеотиды, возможно, связаны с репликацией и рекомбинацией, и большинство генов ориентированы таким образом. Геном также содержит элементы последовательности вставки (IS), остатки фага и многие другие участки необычного состава, указывающие на пластичность генома посредством горизонтального переноса.

Интерактом[править]

Взаимодействие E. coli было изучено методом аффинной очистки и масс-спектрометрии (AP / MS) и путем анализа бинарных взаимодействий между его белками.

Белковые комплексы. Исследование 2006 года очистило 4339 белков из культур штамма K-12 и обнаружило взаимодействующих партнеров для 2667 белков, многие из которых имели неизвестные функции в то время. Исследование 2009 года обнаружило 5993 взаимодействия между белками одного и того же штамма E. coli, хотя эти данные мало совпадают с данными публикации 2006 года.

Бинарные взаимодействия. Раджагопала и др. (2014) провели систематические дрожжевые двухгибридные скрининги с большинством белков E. coli и обнаружили в общей сложности 2234 белок-белковых взаимодействия.[64] Это исследование также интегрировало генетические взаимодействия и белковые структуры и отобразило 458 взаимодействий в 227 белковых комплексах.

Нормальная микробиота[править]

Кишечная палочка относится к группе бактерий, неофициально известных как кишечные палочки, которые встречаются в желудочно-кишечном тракте теплокровных животных. Кишечная палочка обычно колонизирует желудочно-кишечный тракт младенца в течение 40 часов после рождения, поступая с пищей или водой или от людей, обрабатывающих ребенка. В кишечнике кишечная палочка прилипает к слизи толстой кишки. Это основной факультативный анаэроб желудочно-кишечного тракта человека. (Факультативные анаэробы - это организмы, которые могут расти как в присутствии, так и в отсутствии кислорода.) Пока эти бактерии не приобретают генетические элементы, кодирующие факторы вирулентности, они остаются доброкачественными комменсалами[67].

Терапевтическое применение[править]

Благодаря низкой стоимости и скорости, с которой ее можно выращивать и модифицировать в лабораторных условиях, E. coli является популярной экспрессионной платформой для производства рекомбинантных белков, используемых в терапии. Одним из преимуществ использования E. coli по сравнению с другой платформой экспрессии является то, что E. coli естественным образом не экспортирует много белков в периплазму, что облегчает извлечение интересующего белка без перекрестного загрязнения. Штаммы E. coli K-12 и их производные (DH1, DH5a, MG1655, RV308 и W3110) являются штаммами, наиболее широко используемыми биотехнологической промышленностью. Непатогенный штамм E. coli Nissle 1917 (EcN), (Мутафлор) и E. coli O83: K24: H31 (Colinfant)) используются в качестве пробиотических агентов в медицине, главным образом для лечения различных желудочно-кишечных заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника. Считается, что штамм EcN может препятствовать росту оппортунистических патогенов, включая сальмонеллу и другие кишечные энтеропатогены, черезпроизводство микроциновых белков производство сидерофоров.

Роль в болезни[править]

Основная статья: Патогенная кишечная палочка

Большинство штаммов E. coli не вызывают заболевания, естественно живя в кишечнике, но вирулентные штаммы могут вызывать гастроэнтерит, инфекции мочевыводящих путей, неонатальный менингит, геморрагический колит и болезнь Крона. Общие признаки и симптомы включают сильные спазмы в животе, диарею, геморрагический колит, рвоту и иногда лихорадку. В более редких случаях вирулентные штаммы также ответственны за некроз кишечника (гибель тканей) и перфорацию без прогрессирования до гемолитико-уремического синдрома, перитонита, мастита, сепсиса и грамотрицательной пневмонии. Очень маленькие дети более подвержены развитию тяжелых заболеваний, таких как гемолитико-уремический синдром; однако здоровые люди всех возрастов подвержены риску тяжелых последствий, которые могут возникнуть в результате заражения кишечной палочкой.

Некоторые штаммы E. coli, например O157:H7, могут продуцировать токсин Сига (классифицируется как агент биотерроризма). Токсин Сига вызывает воспалительные реакции в клетках-мишенях кишечника, оставляя после себя повреждения, которые приводят к кровавой диарее, которая является симптомом инфекции E. coli, продуцирующей токсин Сига (STEC). Этот токсин также вызывает преждевременное разрушение эритроцитов, которые затем забивают фильтрующую систему организма, почки, в некоторых редких случаях (обычно у детей и пожилых людей) вызывая гемолитико-уремический синдром (ГУС), который может привести к почечной недостаточности и даже смерти. Признаки гемолитического уремического синдрома включают снижение частоты мочеиспускания, вялость и бледность щек и внутренних частей нижних век. У 25% больных ГУС возникают осложнения со стороны нервной системы, что в свою очередь вызывает инсульты. Кроме того, этот штамм вызывает накопление жидкости (так как почки не работают), что приводит к отеку вокруг легких, ног и рук. Это увеличение накопления жидкости, особенно вокруг легких, препятствует функционированию сердца, вызывая повышение кровяного давления.

Уропатогенная кишечная палочка (UPEC) является одной из основных причин инфекций мочевыводящих путей.[80] Она является частью нормальной микробиоты в кишечнике и может быть введена многими способами. В частности, для женщин направление вытирания после дефекации (вытирание задом наперед) может привести к фекальному загрязнению мочеполовых отверстий. Анальный половой акт также может ввести эту бактерию в мужскую уретру, а при переходе от анального к вагинальному половому акту мужчина также может ввести UPEC в женскую мочеполовую систему.

Энтеротоксигенная кишечная палочка (ETEC) является наиболее распространенной причиной диареи путешественников: ежегодно в развивающихся странах во всем мире регистрируется до 840 миллионов случаев заболевания. Бактерии, обычно передаваемые через загрязненную пищу или питьевую воду, прилипают к слизистой оболочке кишечника, где выделяют один из двух типов энтеротоксинов, что приводит к водянистой диарее. Частота и тяжесть инфекций выше среди детей в возрасте до пяти лет, в том числе до 380 000 смертей в год.

В мае 2011 года один штамм E. coli, O104:H4, был предметом бактериальной вспышки, которая началась в Германии. Некоторые штаммы кишечной палочки являются основной причиной заболеваний пищевого происхождения. Вспышка началась, когда несколько человек в Германии были инфицированы энтерогеморрагическими бактериями E. coli (EHEC), что привело к гемолитико-уремическому синдрому (HUS), неотложной медицинской помощи, которая требует срочного лечения. Вспышка болезни затронула не только Германию, но и 15 других стран, включая регионы Северной Америки.[82] 30 июня 2011 года Немецкий Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) (Федеральный институт оценки рисков, федеральный институт в Федеральном министерстве продовольствия, сельского хозяйства и защиты прав потребителей Германии) объявилчто семена пажитника из Египта, вероятно, были причиной вспышки EHEC[83].

Некоторые исследования показали отсутствие E. coli во флоре кишечника субъектов с нарушением обмена веществ фенилкетонурией. Предполагается, что отсутствие этих нормальных бактерий ухудшает выработку ключевых витаминов B2 (рибофлавин) и K2 (менахинон) - витаминов, которые участвуют во многих физиологических ролях у людей, таких как клеточный и костный метаболизм, - и таким образом способствует расстройству.

(продуцирующая карбапенемазу E. coli ) Устойчивые к карбапенемам E. coli, устойчивые к карбапенемному классу антибиотиков, считаются препаратами последней инстанции при таких инфекциях. Они устойчивы, потому что они производят фермент, называемый карбапенемазой, который отключает молекулу лекарства.[85]

Инкубационный период[править]

Время между проглатыванием бактерий STEC и чувством тошноты называется "инкубационным периодом". Инкубационный период обычно составляет 3-4 дня после воздействия, но может быть таким же коротким, как 1 день или до 10 дней. Симптомы часто начинаются медленно с легкой боли в животе или не кровавой диареи, которая ухудшается в течение нескольких дней. ГУС, если он возникает, развивается в среднем через 7 дней после первых симптомов, когда диарея улучшается.

Диагностика[править]

Диагностика инфекционной диареи и выявление устойчивости к противомикробным препаратам проводится с помощью посева кала с последующим тестированием чувствительности к антибиотикам. Для культивирования желудочно-кишечных патогенов требуется минимум 2 дня и максимум несколько недель. Чувствительность (истинно положительная) и специфичность (истинно отрицательная) культуры стула варьируются в зависимости от патогена, хотя ряд патогенов человека не может быть культивирован. Для культурально-положительных образцов тестирование на устойчивость к противомикробным препаратам занимает дополнительные 12-24 часа.

Молекулярные диагностические тесты могут идентифицировать E. coli и устойчивость к противомикробным препаратам у идентифицированных штаммов гораздо быстрее, чем культуральное тестирование и тестирование чувствительности. Платформы на основе микрочипов могут идентифицировать специфические патогенные штаммы E. coli и E. coli-специфические гены AMR за два часа или менее с высокой чувствительностью и специфичностью, но размер тестовой панели (т. Е. Общие патогены и гены устойчивости к противомикробным препаратам) ограничен. В настоящее время разрабатываются новые платформы диагностики инфекционных заболеваний на основе метагеномики для преодоления различных ограничений культуры и всех доступных в настоящее время молекулярных диагностических технологий.

Лечение[править]

Основой лечения является оценка обезвоживания и замена жидкости и электролитов. Было показано, что введение антибиотиков сокращает течение болезни и продолжительность выведения энтеротоксигенной кишечной палочки (ETEC) у взрослых в эндемичных районах и при диарее путешественников, хотя уровень устойчивости к обычно используемым антибиотикам увеличивается, и они обычно не рекомендуются.закономерности восприимчивости в конкретном географическом регионе. В настоящее время антибиотиками выбора являются фторхинолоны или азитромицин, с новой ролью для рифаксимина. Пероральный рифаксимин, полусинтетическое производное рифамицина, является эффективным и хорошо переносимым антибактериальным средством для лечения взрослых с неинвазивной диареей путешественников. Рифаксимин оказался значительно эффективнее плацебо и не менее эффективен, чем ципрофлоксацин, в сокращении продолжительности диареи. В то время как рифаксимин эффективен у пациентов с диареей путешественника с преобладанием E. coli, он оказывается неэффективным у пациентов, инфицированных воспалительными или инвазивными энтеропатогенами.

Профилактика[править]

ETEC - это тип E. coli, на котором сосредоточено большинство усилий по разработке вакцин. Антитела против LT и основных CFs ETEC обеспечивают защиту от LT-продуцирующих, ETEC-экспрессирующих гомологичных CFs. Разработаны пероральные инактивированные вакцины, состоящие из антигена токсина и целых клеток, т.е. лицензированная рекомбинантная холерная B-субъединица (rCTB)-WC холерная вакцина Dukoral. В настоящее время нет лицензированных вакцин для ETEC, хотя некоторые из них находятся на разных стадиях разработки. В различных испытаниях вакцина против холеры rCTB-WC обеспечивала высокую (85-100%) кратковременную защиту. В клинических испытаниях было показано, что пероральный кандидат на вакцину ETEC, состоящий из rCTB и инактивированных формалином бактерий E. coli, экспрессирующих основные CFs, безопасен, иммуногенен и эффективен против тяжелой диареи у американских путешественников, но не против диареи ETEC у маленьких детей в Египте. Модифицированная вакцина ETEC, состоящая из рекомбинантных штаммов E. coli, сверхэкспрессирующих основной CFs и более LT-подобный гибридный анатоксин под названием LCTBA, проходит клинические испытания.

Другие проверенные методы профилактики передачи кишечной палочки включают мытье рук и улучшение санитарии и питьевой воды, поскольку передача происходит через фекальное загрязнение продуктов питания и водоснабжения. Кроме того, тщательное приготовление мяса и отказ от употребления сырых непастеризованных напитков, таких как соки и молоко, являются другими проверенными методами профилактики кишечной палочки. Наконец, избегайте перекрестного загрязнения посуды и рабочих мест при приготовлении пищи.

Модельный организм в биологических исследованиях[править]

Основная статья: Кишечная палочка в молекулярной биологии

Бактерия Escherichia coli, 2021, иллюстрация Дэвида С. Гудселла, RCSB Protein Data Bank На этой картине показано поперечное сечение клетки Escherichia coli. Характерная двухмембранная клеточная стенка грамотрицательных бактерий показана зеленым цветом, с множеством липополисахаридных цепей, простирающихся от поверхности, и сетью сшитых пептидогликановых нитей между мембранами. Геном клетки образует слабо определенный "нуклеоид", показанный здесь желтым цветом, и взаимодействует со многими ДНК-связывающими белками, показанными коричневым и оранжевым. Большие растворимые молекулы, такие как рибосомы (окрашенные в красновато-фиолетовый цвет), в основном занимают пространство вокруг нуклеоида.

Из-за своей долгой истории лабораторной культуры и простоты манипуляций E. coli играет важную роль в современной биологической инженерии и промышленной микробиологии. Работа Стэнли Нормана Коэна и Герберта Бойера в E. coli, используя плазмиды и рестрикционные ферменты для создания рекомбинантной ДНК, стала основой биотехнологии.

E. coli является очень универсальным хозяином для производства гетерологичных белков[96], и были разработаны различные системы экспрессии белков, которые позволяют производить рекомбинантные белки в E. coli. Исследователи могут вводить гены в микробы с помощью плазмид, которые обеспечивают высокий уровень экспрессии белка, и такой белок может быть массово произведен в промышленных процессах ферментации. Одним из первых полезных применений технологии рекомбинантной ДНК было манипулирование E. coli для производства человеческого инсулина.

Многие белки, которые ранее считались трудными или невозможными для экспрессии в E. coli в свернутой форме, были успешно экспрессированы в E. coli. Например, белки с множественными дисульфидными связями могут быть продуцированы в периплазматическом пространстве или в цитоплазме мутантов, достаточно окисляющихся для образования дисульфидных связей, в то время как белки, требующие посттрансляционной модификации, такие как гликозилирование для стабильности или функции, были экспрессированы с использованием N-связанной системы гликозилированияCampylobacter jejuni сконструирован в кишечную палочку.

Модифицированные клетки E. coli использовались в разработке вакцин, биоремедиации, производстве биотоплива, освещении и производстве иммобилизованных ферментов.

Штамм K-12 является мутантной формой E. coli, которая сверхэкспрессирует фермент щелочную фосфатазу (ALP). Мутация возникает из-за дефекта в гене, который постоянно кодирует фермент. Считается, что ген, который производит продукт без какого-либо ингибирования, обладает конститутивной активностью. Эта специфическая мутантная форма используется для выделения и очистки вышеупомянутого фермента.

Штамм OP50 Escherichia coli используется для поддержания культур Caenorhabditis elegans.

Штамм JM109 представляет собой мутантную форму кишечной палочки с дефицитом RecA и endA. Штамм может быть использован для сине-белого скрининга, когда клетки несут эписому фактора фертильности.[105] Отсутствие RecA уменьшает возможность нежелательного ограничения интересующей ДНК, а отсутствие endA ингибирует разложение плазмидной ДНК. Таким образом, JM109 полезен для систем клонирования и экспрессии.

Модельный организм[править]

Кишечная палочка часто используется в качестве модельного организма в микробиологических исследованиях. Культивируемые штаммы (например, E. coli K12) хорошо адаптированы к лабораторной среде и, в отличие от штаммов дикого типа, потеряли способность процветать в кишечнике. Многие лабораторные штаммы теряют способность образовывать биопленки. Эти особенности защищают штаммы дикого типа от антител и других химических атак, но требуют больших затрат энергии и материальных ресурсов. E. coli часто используется в качестве репрезентативного микроорганизма в исследованиях новых методов очистки и стерилизации воды, включая фотокатализ. Стандартными методами подсчета пластин, после последовательных разведений и роста на пластинах агарового геля, можно оценить концентрацию жизнеспособных организмов или КОЕ (колониеобразующих единиц) в известном объеме очищенной воды, что позволяет провести сравнительную оценку характеристик материалов.

В 1946 году Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум впервые описали явление, известное как бактериальная конъюгация, используя E. coli в качестве модельной бактерии, и она остается основной моделью для изучения конъюгации. E. coli была неотъемлемой частью первых экспериментов по пониманию генетики фагов, и ранние исследователи, такие как Сеймур Бензер, использовали E. coli и фаг T4 для понимания топографии структуры гена. До исследований Бензера не было известно, является ли генбыла линейной структурой или имела ветвящийся рисунок.

E. coli была одним из первых организмов, чей геном был секвенирован; полный геном E. coli K12 был опубликован Science в 1997 году.

С 2002 по 2010 год команда Венгерской академии наук создала штамм Escherichia coli под названием MDS42, который теперь продается Scarab Genomics of Madison, WI под названием "Чистый геном. E.coli", где 15% генома родительского штамма (E. coli K-12 MG1655) были удалены, чтобы помочь в эффективности молекулярной биологии, удаляя элементы IS, псевдогены и фаги, что приводит к лучшему поддержанию плазмид-кодируемых токсичных генов, которые часто инактивируются транспозонами. Биохимия и механизм репликации не были изменены.

Оценивая возможное сочетание нанотехнологий с ландшафтной экологией, можно создать сложные ландшафты среды обитания с деталями на наноуровне. На таких синтетических экосистемах были проведены эволюционные эксперименты с E. coli для изучения пространственной биофизики адаптации в островной биогеографии на чипе.

В других исследованиях непатогенная кишечная палочка использовалась в качестве модельного микроорганизма для понимания влияния моделируемой микрогравитации (на Земле) на то же самое.

Использование в биологических вычислениях[править]

С 1961 года ученые предложили идею генетических схем, используемых для вычислительных задач. Сотрудничество между биологами и компьютерными учеными позволило разработать цифровые логические элементы на метаболизме E. Кишечная палочка. Поскольку Лак-оперон является двухэтапным процессом, генетическая регуляция в бактериях используется для реализации вычислительных функций. Процесс контролируется на стадии транскрипции ДНК в мессенджерную РНК.

В настоящее время проводятся исследования, направленные на то, чтобы запрограммировать E. coli для решения сложных математических задач, таких как проблема гамильтонова пути.

В 2011 году исследователи из ETH Zurich и Калифорнийского университета использовали компьютер для контроля производства белка E. Кишечная палочка внутри дрожжевых клеток. Команда из Калифорнийского университета смогла запрограммировать бактерии вести себя как ЖК-экран.

В июле 2017 года отдельные эксперименты с E. Кишечная палочка, опубликованная в Nature, показала потенциал использования живых клеток для вычислительных задач и хранения информации. Команда, созданная сотрудниками Института биодизайна при Университете штата Аризона и Гарвардского института биологической инженерии Висса, разработала биологический компьютер внутри E. Кишечная палочка, которая ответила на дюжину входов. Команда назвала компьютер "рибокомпьютером", так как он состоял из рибонуклеиновой кислоты. Тем временем гарвардские исследователи исследовали, что возможно хранить информацию в бактериях после успешного архивирования изображений и фильмов в ДНК живых клеток E. coli. В 2021 годукоманда во главе с биофизиком Санграмом Багом провела исследование с E. coli, чтобы решить проблемы лабиринта 2 x 2, чтобы исследовать принцип распределенных вычислений между клетками.

История[править]

В 1885 году немецко-австрийский педиатр Теодор Эшрих обнаружил этот организм в кале здоровых людей. Он назвал ее Bacterium coli commune, потому что она находится в толстой кишке. Ранние классификации прокариот помещали их в несколько родов на основе их формы и подвижности (в то время существовала классификация бактерий Эрнста Геккеля в королевстве Монера).

Бактерия coli была типовым видом ныне недействительного рода Bacterium, когда выяснилось, что прежний типовой вид ("Bacterium triloculare") отсутствовал. После пересмотра бактерии Мигулой в 1895 году она была реклассифицирована как Bacillus coli, а затем переклассифицирована во вновь созданный род Escherichia, названный в честь его первоначального первооткрывателя.

В 1996 году в Уишоу, Шотландия, произошла самая страшная в мире вспышка пищевого отравления кишечной палочкой, в результате которой погиб 21 человек. Это число было превышено в 2011 году, когда в 2011 году в Германии произошла вспышка E. coli O104:H4, связанная с органическими ростками пажитника, унесшая жизни 53 человек.

Применение[править]

Помимо использования в качестве вектора для генетических экспериментов и процессов, E. coli имеет несколько практических применений. Например, кишечная палочка может быть использована для получения синтетического пропана

См. Также[править]

Пруф[править]

/familydoctor.org/condition/e-coli-infection/