Кишечная палочка автотрофный организм

В будущем такая бактерия, возможно, поможет удерживать СО2 в атмосфере на приемлемом уровне.

Все живые существа состоят из биомолекул – жиров, белков, углеводов, нуклеиновых кислот и пр., при этом очень многие такие молекулы организмы собирают сами из подручного сырья. Главное подручное сырьё – то, откуда берётся углерод. И здесь возможны две стратегии: либо углерод мы берём, поглощая и преобразуя органику, например, чужие жиры, белки, углеводы – и тогда нас называют гетеротрофными организмами; либо мы берём углерод из неорганического источника, например, из СО2 – и тогда мы называемся автотрофными организмами.

Самые известные автотрофы – растения: в их клетках есть набор реакций, который позволяет поглощать углекислый газ извне и сшивать его в органические молекулы; причём энергию для этих реакций растения берут от света. Гетеротрофы – животные и, например, грибы. И углерод, и энергию для синтеза собственных биомолекул гетеротрофы берут из одних и тех же органических веществ, которые каким-то образом п(р)оглотили. Среди бактерий есть и те, и другие, но, к примеру, кишечная палочка – это гетеротроф, предпочитающий углеводы.

Исследователи из Института Вейцмана превратили кишечную палочку из гетеротрофа в автотрофа – то есть заставили её вместо готовой органики поглощать углекислый газ. Естественно, её нужно было снабдить генами, которые кодировали бы нужные ферменты. Эти гены взяли у бактерий рода Pseudomonas – у тех видов Pseudomonas, которые способны поглощать СО2. Но сами по себе такие гены не подвигли бы кишечную палочку на то, чтобы стать автотрофом: для этого нужно было отключить у неё гены, которые необходимы для гетеротрофного образа жизни.

Из гетеротрофных генов отключили три, и заодно заставили бактерию жить на среде, бедной сахарами, но с большим количеством СО2. Вместо углеводов кишечной палочке дали муравьиную кислоту: она могла дать энергию для улавливания углекислого газа, но делать биомолекулы для внутреннего употребления из муравьиной кислоты было невозможно. То есть, если совсем точно, кишечную палочку попытались превратить в хемоавтотрофа – такого автотрофа, который пользуется химическим источником энергии для преобразования СО2 в органику. (Соответственно, если бы бактерию научили пользоваться светом, она бы стала фотоавтотрофом.)

Авторы работы надеялись, что дальше своё слово скажут изменчивость и отбор – в предложенных условиях активнее всего начнут размножаться те бактерии, которым мутации позволят вообще отказаться от питания готовыми сахарами (которых было ровно столько, чтобы не дать кишечным палочкам умереть с голоду и поддержать их эволюцию). Действительно, в статье в Cell говорится, что примерно через 300 дней бактерии оптимизировались и стали активно наращивать биомассу, пользуясь только углекислым газом и муравьиной кислотой. Для того, чтобы окончательно стать автотрофами, то есть чтобы отрегулировать собственные и чужие гены, которые ввели с помощью генной инженерии, бактериям понадобилось 11 мутаций. Некоторые из этих мутаций оказались в ферментах, оперирующих углекислым газом; роль других мутаций пока что вообще неясна.

Тут сама собой в голову приходит мысль, что у нас в руках появился уборщик углекислого газа из атмосферы. Однако та бактерия, которая у нас пока что есть, для этого не вполне подходит.

Во-первых, она эффективно поглощает СО2, только если его 10% в атмосфере, тогда как сейчас его, к счастью, всего 0,04.

Во-вторых, сама кишечная палочка тоже производит углекислый газ (в том числе из той же муравьиной кислоты), и производит она его больше, чем поглощает.

В-третьих, муравьиную кислоту в качестве источника энергии использовать вообще не очень удобно.

Но если кишечную палочку в принципе удалось заставить «есть» углекислый газ, то, возможно, в перспективе её удастся настроить так, чтобы она поглощала тот СО2, который уже есть в нашей атмосфере, и при этом в качестве энергии использовала не муравьиную кислоту, а какой-нибудь возобновляемый химический субстрат.

Escherichia coli – кишечная палочка – в основном безвредная бактерия, являющаяся частью физиологической кишечной флоры людей и животных. К сожалению, некоторые виды бактерий способны вызывать заболевания. 

Обычно это желудочно-кишечные инфекции, проявляющиеся как диарея, инфекции мочевыводящих путей или менингит. При благоприятных условиях кишечная палочка может вызывать инфекцию других органов, в том числе желчных протоков или дыхательной системы. 

Это также наиболее распространенный этиологический фактор при внутрибольничных инфекциях. Escherichia coli часто поражает людей с тяжелыми сопутствующими заболеваниями, в том числе с сахарным диабетом, алкоголизмом, хронической обструктивной болезнью легких.

Кишечная палочка также является маркером загрязнения питьевой воды путем выявления так называемых титров Escherichia coli. Штаммы, вызывающие диарею, передаются через загрязненную воду, пищу или через прямой контакт с инфицированными людьми или животными. Escherichia coli также является наиболее распространенным этиологическим фактором диареи путешественников. 

Escherichia coli

Патогенные кишечные палочки

Среди штаммов Escherichia coli были выделены следующие: патогенные кишечные палочки, которые могут вызывать тяжелые инфекции:

• Entero Escherichia coli (Enterohemorrhagic E. coli – EHEC). Иначе: Escherichia coli, продуцирующая токсин Shiga (анг. Shiga toxin, STEC ) или Escherichia coli, продуцирующая werocytotoksynę (анг. Verocytotoxin, VTEC ). Наиболее известная и самая распространенная бактерия в этой группе – Escherichia coli O157: H7. Энтерогеморрагические штаммы кишечной палочки встречаются в пищеварительном тракте жвачных животных (КРС, козы, овцы, олени, лоси), свиней и птиц. Все они  могут распространять бактерии. Наиболее распространенные источники заражения людей – крупный рогатый скот, употребление загрязненной воды, сырое или недоваренное мясо, непастеризованное молоко или молочные продукты, прямой контакт с животными или фекалиями больных людей, например, при смене подгузников.
• Энтеротоксигенная кишечная палочка (Enterotoxigenic Escherichia coli – ETEC). Является основной причиной «диареи путешественников». Вырабатывает энтеротоксин, поражающий клетки слизистой оболочки тонкого кишечника, вызывая выделение большого количества воды в просвет кишечника.
• Энтеропатогенная кишечная палочка (Enteropathogenic Escherichia coli – EPEC) Распространенный этиологический агент диареи у детей.
• Enteroagregacyjna Escherichia coli (Enteroaggregative Escherichia coli – EAggEC). Вызывает хроническую диарею у детей в развивающихся странах. Это также этиологический фактор в 30% случаев «диареи путешественников». В 2011 году мутант этого штамма, способный продуцировать токсин шига – O104: H4, вызвал эпидемию в Германии. У 22% из зараженных развился гемолитический уремический синдром. Источником бактерий оказались семена пажитника, импортированные из Египта.
• Enteroinwazyjna Escherichia coli (Enteroinvasive Escherichia coli – EIEC). Вызывает бактериальную дизентерию.
• Adherencyjna Escherichia coli (Диффузно адгезивная Escherichia coli – DAEC). Вызывает хроническую диарею у детей.
• Штаммы Escherichia coli, содержащие антиген K1. Вызывают менингит у новорожденных. Инфекция у взрослых обычно является осложнением нейрохирургических операций или повреждений центральной нервной системы.
• Уропатогенная кишечная палочка. Этиологический фактор инфекции мочевыводящих путей, пиелонефрита, острого простатита, а также инфекции крови в виде уросепсиса. Бактерии, принадлежащие к этому штамму, имеют особенность, позволяяющую им соединяться с клетками, выстилающими мочевыводящие пути. Инфекция мочевого пузыря особенно распространена у взрослых женщин. Также увеличивает риск инфекции наличие гипертрофии простаты или катетера мочевого пузыря.

Как часто возникают инфекции толстой кишки

Данные по странам различаются, но тенденция к увеличению таких инфекций сохраняется.

Например, по данным Национального института гигиены, в Польше ежегодно насчитывается около 400-500 диарей-формирующих инфекций Escherichia coli, несколько случаев энтерогоррагических инфекций Escherichia coli и несколько случаев гемолитического уремического синдрома А в Соединенных Штатах ежегодно диагностируется более 260000 случаев энтерогеморрагической инфекции кишечной палочки, включая 36% штамма O157: H7, который вызывает серьезные осложнения. 

В каждой европейской стране ежегодно обнаруживается несколько десятков случаев менингита и  сепсиса, вызванных штаммом K1 Escherichia coli. По оценкам специалистов, около 50% женщин испытывают по крайней мере один эпизод инфекции мочевыводящих путей, вызванной уропатогенной кишечной палочкой. Это также ведущий этиологический фактор при внутрибольничных инфекциях. 

Частота возникновения других инфекций, вызванных кишечной палочкой, неизвестна, поскольку отдельная статистика по ним практически не ведется.

Как проявляются инфекции, связанные с кишечной палочкой

Симптомы заражения энтерогеморрагической кишечной палочкой:

• Инкубационный период заболевания составляет от 1 до 10 дней, обычно 3-4 дня. Первым симптомом является диарея, часто с примесью свежей крови, спазмы в животе, рвота, умеренная температура. Симптомы длятся в среднем 5-7 дней.
• У 5-10% пациентов, обычно через 7 дней, когда проходит диарея, развивается опасное для жизни осложнение, т.е. гемолитический уремический синдром, включающий повреждение почек, проявляющийся как уменьшение или прекращение мочеиспускания и разрушение эритроцитов, приводящее к анемии, проявляющаяся бледной кожей и общей слабостью.

Диарея

Симптомы заражения Escherichia coli, продуцирующей токсин шига – штамм, выделенный во время эпидемии в Германии в 2011 году, сходные с симптомами, связанными с энтерогеморрагической инфекцией. Однако чаще наблюдается развитие гемолитического уремического синдрома, который дополнительно сопровождается неврологическими симптомами, которые не обнаруживаются при энтерогеморрагической инфекции.

Симптомы кишечной coli- индуцированной дизентерии, вызванной энтеро-инвазивной кишечной палочкой:

• кровавый понос;
• лихорадка;
• спазмы в животе;
• боль и давление на кишечник при дефекации.

Симптомы диареи путешественников, обычно вызываемой энтеротоксиногенной или энтероагрегационной кишечной палочкой:

• инкубационный период составляет 1-2 дня; 
• стул водянистый, обычно не содержит патологических примесей, таких как кровь или слизь;
• сопровождается спастическими болями в животе;
• признаки обезвоживания: сухость слизистых оболочек, общая слабость, усиление жажды.

Усиление жажды

Симптомы обычно длятся 3-4 дня и проходят самостоятельно.

Симптомы детской диареи, вызванной EAggEC, EAEC, EPEC:

• стул водянистый, без патологических примесей, таких как кровь или слизь;
• диарея длится до 2 недель и более;
• иногда лихорадка.

Инфекция мочевых путей уропатогенными штаммами кишечной палочки вызывает так называемые дизурические симптомы: 

• учащенное мочеиспускание;
• срочность мочеиспускания;
• уретральное жжение. 

В запущенных случаях нелеченных инфекций может развиться пиелонефрит, что проявляется, среди прочего, высокой температурой, ознобом, болью в пояснице, тошнотой или рвотой. 

Острый простатит также возникает с высокой температурой, ознобом, болью в нижней части живота, а также с болезненностью, отеком и повышением температуры в области простаты.

Симптомы физиологической инфекции Escherichia coli: 

• Пневмония. Обычно поражает нижние доли и может быть осложнена эмпиемой. Симптомы пневмонии: повышение температуры, одышка, учащенное дыхание. При физикальном обследовании выявляются аускультация и приглушенный звук во время постукивания во время аускультации легких.
• Перитонит. Типичное осложнение, которое возникает после разрыва или дивертикула придатка – перитонит. Основные симптомы: лихорадка, сильные боли в животе, а также остановка газов и стула. Физикальное обследование показывает перитонеальные симптомы, в том числе симптом Блюмберга, больной лежит характерным образом – с согнутыми ногами, мышцы живота очень напряжены.
• Заболевания желчного пузыря. Симптомы острого холангита и холецистита: лихорадка с ознобом, боль в животе в правом подреберье и желтуха – симптомы, которые образуют так называемые Триаду Шарко.

Штаммы Escherichia coli, содержащие антиген K1, могут проявляться менингитом у новорожденных, в том числе лихорадкой, желтухой, снижением аппетита, апноэ, рвотой, сонливостью, судорогами. У детей старше 4 месяцев также может возникнуть ригидность затылочных мышц, то есть невозможность пассивного изгиба головы к груди.

Если вы заметили симптомы, описанные выше, обратитесь к врачу.

Как врач определяет диагноз?

Диагностика инфекции Escherichia coli возможна с помощью посева микробиологической культуры или прямого исследования биологического материала, например, фекалий, мочи, крови, мокроты, спинномозговой жидкости, аспирата. Можно идентифицировать штамм, который вызывает инфекцию, а также обнаружить токсины шига. 

В зависимости от штамма и места заражения дополнительные анализы показывают наличие лейкоцитов в кале, моче, спинномозговой жидкости, высокие значения воспалительных параметров: С-реактивный белок, прокальцитонин, фибриноген. Для диагностики пневмонии назначается рентген легких, а компьютерная томография для внутрибрюшных инфекций.

Рентген легких

Методы лечения инфекционных заболеваний, связанных с кишечной палочкой

Основой для лечения диареи, вызванной инфекцией кишечной палочки – гидратация организма.

Применение антибиотиков, как правило, не является необходимым. Более того, антибиотики противопоказаны при лечении штаммов, продуцирующих токсины шига, в связи с повышенным риском развития гемолитического уремического синдрома. Также увеличивают этот риск противодиарейные препараты, блокирующие перистальтику кишечника, такие как лоперамид.

Инфекции, вызванные другими штаммами кишечной палочки, требуют антибиотикотерапии. Иногда необходимо хирургическое лечение, дренирование абсцесса или искусственная вентиляция легких с помощью респиратора.

Искусственная вентиляция легких с помощью респиратора

Можно ли полностью вылечить инфекции, вызванные кишечной палочкой?

Прогноз полного выздоровления зависит от вовлеченных органов, серьезности инфекции и времени, когда было начато лечение. 

В некоторых случаях кишечная палочка выделяется из фекалий здоровых людей даже через несколько недель после исчезновения симптомов. У детей период носительства обычно длится дольше, чем у взрослых. 

Гемолитический уремический синдром, осложняющий инфицирование штаммами, продуцирующими токсин шига, связан со смертностью в 2-3% случаев, в то время как неонатальная септицемия, вызванная штаммом Escherichia coli K1, связана с 8%-ным риском смерти.

Что делать после прекращения лечения кишечной палочки?

Пациентам с менингитом может потребоваться реабилитация и последующее наблюдение для выявления неврологических дефектов. Лечение после других инфекций рассматривается индивидуально.

Что делать, чтобы избежать инфекций кишечной палочки?

Чтобы избежать энтерогеморрагической инфекции кишечной палочки, тщательно мойте руки после посещения туалета, смены подгузников, перед приготовлением пищи, после контакта с животными. 

• Готовьте мясо таким образом, чтобы оно было полностью проварено;
• Избегайте сырого непастеризованного молока и молочных продуктов;
• Также не употребляйте непастеризованные соки;
• Избегайте глотания воды при плавании в озерах, прудах, бассейнах.

Рекомендации по профилактике «диареи путешественников» включают:

• Соблюдение гигиены, в том числе частое мытье рук с мылом или использование спиртовых средств, особенно перед едой;
• Питье только бутилированной, кипяченой или химически очищенной воды, без использования водопроводной воды и льда, приготовленного из воды неизвестного происхождения;
• Использование бутилированной, кипяченой или химически очищенной воды для мытья посуды, полоскания рта, мытья фруктов и овощей, приготовления еды и кубиков льда;
• Употребление продуктов в фирменной упаковке или свежеприготовленных в горячем виде.
• Не есть сырое мясо и морепродукты, а также неочищенные фрукты и овощи.

Поделиться ссылкой: