Бактерия кишечная палочка интересные факты
Скромная бактерия за полстолетия с момента ее открытия в конце XIX в. стала настоящей волшебной палочкой для молекулярной биологии. Сейчас результаты опытов с ее использованием занимают главы и тома профессиональных и популярных изданий. Конечно, в нашем путеводителе по модельным организмам E. coli должна была занять свое почетное место.
Двенадцать модельных организмов
Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!
Escherichia и Eschrichtius — Болезнь путешественников — Главная модельная бактерия — Учебник молекулярной генетики — Невезение с CRISPR/Cas
Кишечная палочка — один из первых мемов, с которым сталкиваются дети при знакомстве с биологией (рис. 1а). Запоминающееся, простое и забавное название. Помню, как узнал в детстве, что эта палочка может быть опасной — кто-то мучился животом, а родители сказали, что, наверное, кишечная палочка! Позже, уже в старшей школе, я узнал латинское название этой бактерии, и оно меня удивило, оказавшись каким-то не очень латинским. Оказывается, австрийский педиатр Теодор Эшерих (рис. 1б), который впервые выделил эту палочку из содержимого кишечника в 1885 году, вначале назвал ее благозвучно — Bacterium coli, что означает просто «кишечная бактерия». После ожидаемого пересмотра классификации бактерий род переименовали в честь первооткрывателя. По анекдотическому совпадению очень созвучно — Eschrichtius — называется одно из самых крупных существ на земле — серый кит (рис. 1в). Правда, этого гиганта так назвали в честь другого ученого — датского зоолога Даниэля Эшрихта, работавшего на полвека раньше (рис. 1г). В этом плане другой важной палочке — сенной — повезло больше, поскольку она до сих пор называется Bacillus subtilis, что в переводе — тонкая палочка.
Рисунок 1а. Escherichia длиной 2 мкм
Рисунок 1б. Теодор Эшерих (1857–1911)
Рисунок 1в. Eschrichtius длиной 14 метров
Рисунок 1г. Даниэль Фредрик Эшрихт (1798–1863)
Кишечная палочка живет… правильно, в кишечнике человека, составляя по численности не более 0,1% нормальной микрофлоры. Как и многие микроорганизмы, эта грамотрицательная палочка очень изменчива и из дружественного — комменсального — компонента микрофлоры кишечника зачастую превращается во вредный — патогенный. Практически каждый сталкивался с «колийной» инфекцией. Например, именно эшерихия вызывает большинство случаев диареи путешественников. В приморских районах местные жители иммунны к штаммам кишечной палочки, населяющим источники воды, поэтому от них страдают туристы. Одним из параметров качества питьевой воды считается косвенный показатель содержания в ней клеток кишечной палочки — так называемый коли-титр. Как и многие патогенные бактерии, кишечная палочка охотно приобретает свойства множественной устойчивости к антибиотикам . Так, в мире растет число случаев возвратного цистита [1] — воспаления мочевого пузыря — и других инфекций, вызванных мультирезистентными штаммами E. coli.
Зачем же такую опасную бактерию сделали модельной? Дело в том, что в условиях культивирования кишечная палочка часто теряет патогенность, становится неспособной жить в естественных для себя условиях (то есть одомашнивается). И этим свойством в 1940-е годы воспользовались микробиологи, проведя с лабораторными штаммами E. coli (например, со знаменитым штаммом К12) много прорывных для науки экспериментов.
Так, манипулируя мутированными штаммами кишечной палочки, которые уже научились получать при помощи облучения, Джошуа Ледерберг и Эдуард Лаури Тейтем в 1947 году обнаружили способность разных штаммов обмениваться генетическим материалом и спасать друг друга от образовавшихся дефектов, проявлявшихся в неспособности расти на минимальной питательной среде. Так был открыт процесс конъюгации бактерий, который затем послужил важным инструментом для картирования бактериального генома . Ведь тогда это можно было делать только косвенными, микробиологическими методами — сама природа генетического кода была неизвестна.
С начала 1950-х годов исследования по молекулярной генетике с использованием кишечной палочки и ее вирусов в качестве основного инструмента росли как снежный ком. Не будет преувеличением сказать, что к 70-м годам E. coli написала учебник молекулярной генетики! Вспомним открытие генетического кода, в котором участвовало несколько коллективов физиков и молекулярных биологов, в том числе Френсис Крик, Георгий Гамов и другие выдающиеся люди того времени [6]. Основные эксперименты по расшифровке кода велись на бесклеточных лизатах кишечной палочки.
Одновременно (или вскоре после этого) с помощью штаммов эшерихии были заложены основы современной молекулярной биологии. Французы Франсуа Жакоб и Жак Моно на примере лактозного оперона — серии генов E. coli, кодирующих каскад расщепления сахара лактозы, — раскрыли механизмы регуляции генной экспрессии — «самовыражения» генетического материала в виде работы белков, в данном случае — ферментов. На материале кишечной палочки описаны все процессы передачи информации в клетке: так называемые матричные процессы — репликация ДНК, транскрипция и трансляция. Я помню, как в университете на микробиологии нам раздали учебники Стента и Кэлиндара по молекулярной генетике, издания, кажется, 1981 года. Вначале было непонятно, почему это нужно для микробиологии, а потом оказалось, что материал учебника — кстати, очень непростой для восприятия второкурсника — на две трети описывает эксперименты, проведенные на кишечной палочке и ее вирусах.
Позднее обнаружилось, что E. coli хорошо подходит для зародившейся в 1960–1970-е годы биотехнологии [7]. Бактерия хорошо переносит введение в свою клетку гетерологичных (то есть чужеродных) генов и во многих случаях способна синтезировать их продукты без вреда для себя. Белки, полученные таким способом, стали называть рекомбинантными, и теперь они широко используются в медицине и других практических задачах.
Кишечная палочка — возможно, самый исследованный организм с точки зрения молекулярной биологии. Тем не менее у элементов ее генома до сих пор обнаруживают новые свойства. Это одновременно плохо (как же мало мы знаем!) и хорошо (будет чем заняться!). Совсем недавно на защите диссертации я услышал о том, как у одной из генных кассет эшерихии, участвующей в каскаде переработки сульфолипидов, также обнаружена и лактазная активность [8]. До этого такая активность была известна только у знаменитого лактозного оперона Жакоба и Моно, описанного в 1961 году!
Кажется, что E. coli — модельный организм без недостатков. Тем не менее биотехнологам не повезло, что у этой бактерии от природы нет системы бактериального иммунитета CRISPR/Cas [9], о которой я уже упоминал в эссе о бактериофаге лямбда [3]. Именно поэтому эту систему, ныне незаменимую в генной инженерии, открыли относительно поздно.
Кишечная палочка-выручалочка — это здорово (рис. 2). Но теперь пора переместиться в мир ядерных организмов. Удобным инструментом для молекулярной биологии и генетики эукариот оказались одноклеточные грибы — дрожжи — и гаплоидный плесневый гриб — нейроспора. Как они дошли до такой одноклеточной и гаплоидной жизни и что было открыто с их помощью — читайте в следующем материале нашего путеводителя по модельным организмам через месяц.
Рисунок 2. Кишечная палочка Escherichia coli как герой календаря «Биомолекулы». Этот календарь мы сделали в 2019 году и даже провели на него весьма успешный краудфандинг. На тех, кто успел приобрести календарь, палочка уже взирает со стенки, ну а с прочими мы делимся хайрезом этого листа — скачивайте, печатайте и вешайте на стенку! Ну а кто все же хочет приобрести бумажный экземпляр — приглашаем в интернет-магазин «Планеты.ру»!
Благодарность
Автор благодарит своего друга — биоинформатика Анну Казнадзей (ИППИ РАН) за ее увлекательный рассказ о новом «лактозном опероне» кишечной палочки, в открытии которого она участвовала.
- Florian Hitzenbichler, Michaela Simon, Thomas Holzmann, Michael Iberer, Markus Zimmermann, et. al.. (2018). Antibiotic resistance in E. coli isolates from patients with urinary tract infections presenting to the emergency department. Infection. 46, 325-331;
- Антибиотики и антибиотикорезистентность: от древности до наших дней;
- Модельные организмы: фаг лямбда;
- 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть I, историческая;
- Молекулярная биология;
- У истоков генетического кода: родственные души;
- Биотехнология. Генная инженерия;
- Anna Kaznadzey, Pavel Shelyakin, Evgeniya Belousova, Aleksandra Eremina, Uliana Shvyreva, et. al.. (2018). The genes of the sulphoquinovose catabolism in Escherichia coli are also associated with a previously unknown pathway of lactose degradation. Sci Rep. 8;
- CRISPR-системы: иммунизация прокариот.
Источник
Когда на пищеблок школы, садика или предприятия общественного питания приходит проверка, она берет смывы с посуды, поверхностей и других предметов, а потом работники слышат результат: обнаружены бактерии группы кишечных палочек. Казалось бы, откуда им браться, да и что в этом такого? Вроде бы люди слышали, что палочки эти не такие уж и вредные. Так в чем же дело?
На самом деле, действительно, эшерихия — наш давний сосед, с которым мы знакомимся еще в раннем детстве и живем с ним всю жизнь. Но знают люди о нем немного. Прочитав статью до конца, можно будет узнать, что же хотел Роспотребнадзор от несчастных сотрудников пищеблока.
Жизнедеятельность и роль в организме человека
Кишечная палочка, или E. coli, является бактерией из семейства энтеробактерий, грамотрицательной, анаэробной — то есть свободный кислород ей для жизнедеятельности не нужен. Названа она в честь первооткрывателя — немецкого врача Теодора Эшериха. Выглядит она так же, как и называется, то есть имеет вытянутую форму, закругленные концы. Длиной может быть до трех микрометров.
В наш организм эшерихия заселяется в первые двое суток нашей жизни. Она является частью естественной микрофлоры кишечника, и ее массовая доля в этой микрофлоре невелика — 1%. Проживает она на стенках кишечника, плотно к ним прикрепившись. Питается органическими остатками, и в целом к питанию нетребовательна, что и подтверждается ее местом проживания. В качестве «отходов» она выделяет янтарную, уксусную и молочную кислоты, спирт, углекислый газ, но все они поглощаются другими нашими симбионтами.
В числе прочих E. coli продуцирует витамин К, который участвует в процессе образования одного из компонентов крови.
Штаммы бактерии
E. coli свойственно большое генетическое разнообразие. Как и любой микроорганизм, она имеет определенных хозяев, причем каждый теплокровный биологический вид имеет свою палочку. У жителей разных регионов распространены региональные штаммы, имеющие распространение только в конкретной популяции.
Как и у других одноклеточных, у эшерихии существует такое явление, как горизонтальный перенос генов. Это один из факторов образования новых штаммов. Другим фактором служит внешнее воздействие — так, некоторые популяции приобретают резистентность к антибиотикам благодаря их массовому использованию в животноводстве и в лечении воспалительных заболеваний.
Болезни, вызываемые эшерихией
Как свидетельствует статистика, E. coli является причиной подавляющего большинства воспалительных заболеваний мочеполовой системы, а также может быть одним из возбудителей пневмонии и неспецифического менингита. Пожалуй, можно выделить три случая, когда эшерихия из друга становится врагом:
- она оказывается не на своем месте — вне кишечника,
- вы приобрели чужой штамм и стали жертвой «диареи путешественника»,
- вы нашли патогенный штамм, которого у человека вообще быть не должно.
Вот после этого у вас начинаются реальные проблемы.
Неспецифические заболевания
Это пиелонефрит, простатит, цистит, заболевания женской половой сферы (кольпиты, эндометриты, сальпингоофориты и другие процессы, встречающиеся только у женщин). Они могут быть вызваны и другими бактериями и вирусами, но эшерихия тут — вне конкуренции. Лечение таких заболеваний довольно простое — терапия антибиотиками. После этого, правда, наблюдается дисбактериоз, но эта проблема сейчас решаема.
Пиелонефрит, вызванный E. coli, отличается интересным явлением — закупоркой просвета мочеточника, из-за чего больному приходится вставлять катетер, а то и нефростому. Эти бактерии имеют свойство прочно крепиться к поверхности, где они живут, и разросшаяся колония мешает нормальному функционированию мочевыводящих путей.
По мере введения антибиотиков при помощи капельницы бактерии погибают, выделяясь естественным путем. Это может вызывать резкое повышение белка в моче, хотя ни повышенного давления, ни других симптомов поражения почек уже нет: просто погибшие микроорганизмы дают такой показатель в анализах.
Хочется напомнить, что бороться в этом случае следует не с E. coli, а с основным заболеванием.
Диарея путешественников
Она знакома многим из тех, кто перемещается на дальние расстояния и является частью процесса акклиматизации. Вызываться эта неприятность может любыми микроорганизмами, но E. coli тут признанный чемпион. Чаще всего это местный региональный штамм, но может быть и один из патогенных. Как правило, заболевание это заканчивается на третий день, но иногда может длиться и до трех недель.
Местные жители, что интересно, невосприимчивы к этим разновидностям E. coli. Но следует соблюдать осторожность — причиной диареи могут стать специфические микроорганизмы, от которых лучше избавиться — например, холерный вибрион или шигелла.
Эшерихиозы и места их обитания
А вот это то, что может закончиться печально. Вызываются такие заболевания не совсем стандартными разновидностями эшерихии, многие из них вообще являются частью микрофлоры копытных, а не человека. К человеку они попадают с плохо обработанным мясом и другими продуктами питания прямо с грядки. Среди патогенных штаммов E. coli выделяют:
- Энтеропатогенные. Самые безобидные, но любящие родильные дома и хирургические стационары. Вызывают острую кишечную инфекцию без специфических признаков.
-
Энтероадгезивные. Крепко присоединяются к стенкам кишечника и мешают всасыванию полезных веществ его стенками. Заражение может носить хронический характер и протекать бессимптомно, но такой носитель может доставить неприятности тем, с кем контактирует.
- Энтеротоксигенные. Одни из возбудителей диареи путешественников. Отличаются тем, что производят тот же термолабильный энтеротоксин, что и холерный вибрион. Проживают в тонком кишечнике, поэтому заражение сопровождается теми же симптомами, что и холера — обезвоживание при отсутствии температуры.
- Энтероинвазивные. Они живут в толстом кишечнике и вызывают заболевание, очень похожее на дизентерию, с характерными болями и стулом. И производят шигатоксин, такой же, как и шигеллы. Реагируют на те же антибиотики, и лечится так же.
- Энтерогеморрагические. Самые опасные. Штаммы O157: H7 и O104: H4 в свое время вызвали две вспышки инфекции с летальными исходами. Типичные признаки такой инфекции — кровавый понос (геморрагический колит) и гемолитико-уремический синдром, основная причина смертности. Продуцируют такие штаммы два токсина — шигатоксин и веротоксин. При поражении кишечника бактерии проникают в кровеносное русло, где производимые ими токсины ведут к ишемии органов, прежде всего почек и сердца. Группы риска — дети от года до 10 лет и лица старше 60 лет.
Диагностика и лечение
Как передается бактерия, секретом ни для кого не является. Немытые руки, плохо прожаренное мясо, некипяченая вода. Как говорится, не все полезно, что в рот полезло. Передача воздушно-капельным или иным путем не зафиксирована, хотя, например, половым передаются все инфекции.
Исходя из того, что основной путь передачи — алиментарный, профилактика заражения E. coli проста — соблюдение гигиены и санитарных норм при работе с продуктами питания.
Распознать E. coli при кишечной инфекции можно разве что в анализах. Бактериологическое исследование поможет определить не только наличие палочки, но и ее штамм, и даже чувствительность к антибиотикам. Нет специфических симптомов и заболеваний, где она единственный возбудитель, так проявляются и другие инфекции.
Если у вас понос и рвота, далеко не факт, что причиной этому стала кишечная палочка. Симптомы у детей вообще бывают развернутыми и при этом смазанными. Так, общеинфекционная симптоматика у ребенка преобладает над кишечной, а кишечная — над локальной. Со взрослыми дело обстоит чуть проще, но если человек имеет в «запасе» какое-нибудь сердечно-сосудистое заболевание, то рискует он сильно.
Симптомы болезни у детей
Дети подхватывают острые кишечные инфекции чаще других. Этому способствуют два фактора:
- Активность ребенка и нестойкие гигиенические навыки. Чем меньше ребенок, тем больше он тянет в рот предметы, для этого не предназначенные.
- Меньшая кислотность желудка. Там, где у взрослого погибнут инородные агенты, у ребенка все проходит внутрь.
Обычно у детей кишечная инфекция протекает быстро и охватывает все отделы желудочно-кишечного тракта. Там, где у мамы будет энтерит, у ребенка будет гастроэнтерит или энтероколит, а то и все вместе.
Характерный детский симптом — частая рвота. Она появляется первой, и часто не прекращается до относительного улучшения.
Вторая особенность детской кишечной инфекции — быстрое обезвоживание. Признаками его являются сухость слизистых оболочек, снижение тургора кожи, западение щек, а у грудничков — даже родничка на голове.
Учитывая такие особенности, доктор Евгений Комаровский советует придерживаться следующих правил при лечении детей дома:
- Не кормить. Ребенок в такие моменты есть не хочет, и это ему не нужно.
- Давать много жидкости. Существуют препараты для регидратации, представляющие собой смесь хлоридов натрия и калия. Их нужно развести в воде и дать ребенку выпить. Много.
- Не кормить антибиотиками, если для этого нет показаний.
Подобные рекомендации актуальны всегда, вне зависимости от того, явилась ли причиной диареи кишечная палочка — симптомы и лечение у взрослых сходны с детскими, просто симптоматика более локализована.
Когда необходима медицинская помощь
Да, по большей части все кишечные расстройства никакой серьезной угрозы для организма не представляют и госпитализации не требую, их можно вылечить в домашних условиях. Но есть случаи, когда следует насторожиться и обратиться к врачу. К таким случаям относятся:
- возраст больного до года,
- возраст старше 60 лет,
- непрекращающаяся рвота,
- обезвоживание стало результатом потери нескольких килограммов веса, определяется визуально, моча отсутствует,
- сильно выражена интоксикация — высокая температура, спутанность сознания,
- слизь и кровь в стуле,
- отсутствие улучшений в течение суток,
- больной инфицрован ВИЧ.
Причиной таких состояний (кроме возраста и ВИЧ) может стать как патогенный штамм кишечной палочки, так и специфические инфекции — сальмонеллез, дизентерия, а в эндемичных районах и холера. Подобные гости вам вряд ли нужны в вашем кишечнике, и избавиться от них стоит — иначе они могут убить вас.
Польза энтеросорбентов
Раньше врачи не рекомендовали пользоваться сорбентами для лечения поноса. Считалось, что симптоматическое лечение вредит основному. Это неудивительно, ведь активированный уголь, который в то время был единственным препаратом такого рода, требовал больших дозировок и имел противопоказания.
Сейчас энтеросорбенты — естественная часть лечения острых кишечных инфекций. Они помогают не только нормализовать стул, но и снять с почек часть интоксикационной нагрузки. Ведь эти препараты адсорбируют в себя токсины, вырабатываемые микроорганизмами.
Лечение антибиотиками
Их применение сейчас снижается. Это связано как с постоянно повышающейся резистентностью бактериальных штаммов, так и с побочными действиями, например, с дисбактериозом. Некоторые заболевания, например, сальмонеллез, предпочитают лечить бактериофагами — вирусами, разрушающими бактерии определенного вида.
Но списывать антибиотики в утиль рано. Некоторые инфекции требуют не только санации больного, но и ликвидации возбудителя, человек не должен быть заразным. Особенно это касается карантинных инфекций. Также антибиотики применяются при лечении заболеваний, вызванных энтерогеморрагическими штаммами E. coli, виды, заражение которыми может привести к летальному исходу, не должны присутствовать в организме.
Любопытные факты
Кишечная палочка — действительно удивительная с точки зрения науки бактерия. Ниже представлены интересные факты об этом организме:
- E. coli — самый часто используемый модельный организм в лабораториях. Если где-то изучают свойства клеток, будьте уверены — скорее всего, делают это на эшерихиях.
- В 1988 году в результате опытов и наблюдений был зарегистрирован процесс видообразования — получилась палочка, способная усваивать кислород.
- Благодаря своей способности прочно закрепляться на поверхности E. coli стала индикатором гигиенической чистоты. Именно поэтому санитарно-эпидемиологические службы проверяют организации именно на ее наличие. Если палочка присутствует там, где ее быть не должно, значит, сотрудники не моют руки после туалета и не проводят регулярно уборку помещения губкой и шваброй.
- Одна кишечная палочка за сутки способна дать потомство, которого хватило бы на постройку пирамиды с основанием 2 квадратных километр и высотой в 1 километр. Только кто же ей даст.
- В одной из американских лабораторий вывели штамм E. coli, способной перерабатывать сахар в биотопливо. Обычно бактерия строит из поглощенных углеводов клеточную мембрану, но тут вместо жира она производит дизельное топливо. Реализации такого проекта в промышленных масштабах мешает низкая производительность труда бациллы: из ста литров раствора сахара палочки производят всего одну чайную ложку солярки.
Теперь, зная больше информации о эшерихии, можно обезопасить себя и близких от негативного воздействия этой бактерии.
Загрузка…
Источник