Под микроскопом кишечная палочка
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
Загрузка…
История обнаружения
Профессор Теодор Эшерих (T. Escherich), работавший в Граце в детской клинике, в 1885 году выделил возбудителя «детской холеры», которую назвал Bacterium coli cоmmunae, то есть «бактерия-палочка общая». Под «общей» подразумевалось, что этот микроорганизм обитает и у взрослых, и у детей. Сегодня в семейство Энтеробактерий объединяется 51 род микроорганизмов, имеющих общие морфологические, генетические и биохимические признаки.
В 1885 году английский ветеринар Дениел Салмон обнаружил сальмонеллу, а в 1887 году Киёси Сига (первоначально его фамилия в транскрипции читали как Шига) обнаружил возбудителя дизентерии – шигеллу, одновременно с русским исследователем Алексеем Григорьевым.
За три года до этого швейцарский ученый-бактериолог выделил бактерий, вызывавших чуму. Как и принято в бактериологии, этот микроорганизм получил название Иерсиния, в честь «первооткрывателя» – Александра Йерсена. Японец Китасато Кибасабуро описал йерсиний в то же время, но из-за обособленности медицины Японии от всего остального научного мира, имя ученого не было увековечено в названии микроорганизма.
Внешний вид под микроскопом
Энтеробактерии – не окрашивающиеся по методу Грама палочковидные бактерии, не образующие спор и скоплений в виде цепочек. Многие роды имеют жгутики для передвижения. Форма и размеры клеток варьируют: они могут быть прямыми и изогнутыми, длиной от 1 до 5 мкм.
Где обитает
В человеческом организме энтеробактерии, в частности, Эшерихия коли (кишечная палочка) населяют кишечник человека, животных и птиц. Для патогенных микроорганизмов этого класса местом обитания могут стать легкие и дыхательные пути, суставы, носовые и лобные пазухи, мочевой пузырь, почки и даже лимфоузлы.
Классификация
Царство
Bacteria
Тип
Proteobacteria
Класс
Gammaproteobacteria
Порядок
Enterobacteriales
Семейство
Enterobacteriaceae
Свойства
Энтеробактерии – грамотрицательные палочки, относящиеся к факультативным анаэробам. Для биохимического определения часто используется способность к усваиванию сахаров – глюкозы и лактозы.
В процессе расщепления глюкозы они могут образовывать углекислый газ, что также является одним из признаков, помогающих в определении не только рода, но и группы. Например, патогенные эшерихии в большинстве случаев не выделяют СО2, так же, как и шигеллы. Бактерии рода Протей и Сальмонелла продуцируют сероводород. Некоторые энтеробактерии продуцируют индол.
Оптимальная температура для развития энтеробактерий – 32-37°С. В то же время иерсинии, например, могут размножаться и при +5°С.
Функции
Эшерихия коли, то есть кишечная палочка, имеет множество серогрупп, часть из которых патогенна, другая является нормальным представителем флоры кишечника, преимущественно толстой кишки. Здесь они являются одним из компонентов иммунной системы, поскольку образуют налет на слизистой, препятствующий колонизации этой части пищеварительного тракта патогенными бактериями. Кроме того, кишечная палочка продуцирует витамины группы К.
Заболевания
Самые распространенные болезни – энтерит, колит, дизентерия, острое пищевое отравление Реже – воспаления различных органов, гнойные инфекции кожи и слизистых. Иерсиния пестис вызывает бубонную и легочную чуму.
Лечение
Лечение многих заболеваний, связанных с инфицированием бактериями семейства Enterobacteriaceae, требует использования специальных препаратов, как правило, антибиотиков. При сильном обезвоживании в результате диареи и рвоты, используется раствор Рингера или «Регидрон», позволяющие восстановить баланс электролитов. В период восстановления назначается щадящая диета.
Профилактика
- Соблюдение правил гигиены и санитарии. Термическая обработка продуктов, особенно при приготовлении мясо-молочных и рыбных блюд, а также яиц и птицы.
- Укрепление иммунитета с помощью пробиотиков, полноценной пищи, умеренная физическая нагрузка, соблюдение режима дня.
- Уничтожение грызунов и меры по защите от блох.
Источник
Большинство бактерий имеет крайне малые размеры, что делает невозможным их изучение без микроскопа. Однако и среди них есть свои гиганты, и карлики.
Наиболее крупной бактерией долгое время считалась Spirochaeta plicatilis, открытая еще в 1997г. Имея длину до 0,5 мм, она могла быть различима и при незначительном увеличении даже в лупу. В 1997г. она уступила пальму первенства Thiomargarita namibiensis- бактерии, обнаруженной у берегов Намибии. Длина ее тела – около 0,75 мм. Однако большинство бактерий малы (0.3-6мкм), и для их изучения необходима увеличительная техника.
Довольно крупные бактерии можно видеть в самый обычный школьный микроскоп, не обладающий дополнительными приспособлениями к увеличению. Для того, чтобы рассмотреть, к примеру, культуру сенной палочки Bacillus subtilis, достаточно иметь микроскоп с увеличением х800. Бактерии бесцветны, поэтому необходимо окрасить препарат одноэтапным, доступным красителем типа метилового фиолетового, люголя, бриллиантового зеленого, тушью.
Препарат культуры бактерий можно легко приготовить самому. Для этого необходимо вырастить Bacillus subtilis, поместив немного сена в колбу с водой. Через несколько дней поверхность воды покроется пленкой, которая будет состоять из колоний искомых бактерий. Кусочек пленки помещают на покровное стекло, окрашивают тушью. При рассматривании сенная палочка будет выглядеть как неокрасившаяся светлая палочка. Клетка имеет вытянутую форму с тупо закругленными концами. Цитоплазма светлая, оболочка тонкая. Без ядра.
Таким же образом можно рассмотреть в обычный лабораторный микроскоп бактерии, содержащиеся в зубном налете. Для этого собранный налет помещают в каплю воды на предметном стекле. Небольшие палочки, нитевидные образования, столбики – это и есть бактерии, а обилии скапливающиеся на зубах.
Фазово-контрастный микроскоп позволяет увидеть больше. Его отличие от обычной увеличительной техники заключается в разной окраске частиц в зависимости от их плотности: более плотные будут выглядеть темнее, менее плотные – светлее.
Так, выделяют группу шаровидных бактерий – кокков, среди которых в зависимости от группировки можно различить диплококков (бактерия, состоящая из 2-х шаровидных образований), тетракокков (из 4-х), стрептококков (длинная цепочка), стафилококков ( структура в виде виноградной грозди). Большинство из них – возбудители инфекционных заболеваний.
Палочковидные бактерии могут быть как безвредными-сапрофитами (живущая в кишечнике Escherichia coli), так и возбудителями тифа (Salmonella typhi) и дизентерии (Shigella dysenteriae).
С помощью электронного микроскопа возможно увидеть органы передвижения некоторых бактерий – жгутики. Их можно также различить и в световом микроскопе, предварительно протравив (окрасив) культуру. Краситель оседает на жгутике, делая его более толстым и заметным при увеличении.
Темнопольный микроскоп позволяет не только увидеть бактерий как светлые включения на темном фоне, но и наблюдать за их движением. По характеру перемещения отдельных клеток можно распознать возбудителей некоторых заболеваний. Рассмотреть бактерии вам помогут следующие микроскопы:
Код товара: 8800001
6940 Руб.
Сравнить
Ресницы под микроскопом
Ресницы – это волосяной покров, окаймляющий глаз сверху и снизу. Длина этих образований может составлять до 10мм (верхнее веко) и менее 7 мм на нижнем веке. Срок жизни ресниц разисит от физического состояния организма человека и колеблется в интервале 100-150дней. Ресницы возобновляемы, и одновременно на поверхности верхнего века может присутствовать 150-250 ресниц, на нижнем – 50-150.
Микроскопы для микроэлектроники
Производство микроэлектронных изделий (разного рода печатных плат, микросхем), а так же последующий контроль их качества происходит с помощью микроскопов. И, если для изготовления микроэлектронных изделий часто используют специальные установки, то для проведения контроля качества микроскоп еще нужно подобрать.
Источник
Этой статьей мы начинаем рассмотрение представителей микробиологического мира, с которыми чаще всего встречаем в ежедневной клинической практике, и темой сегодняшнего разговора будет кишечная палочка, она же Escherichia coli (E.coli). Актуальность обсуждения данного микроорганизма состоит в том, что кишечная палочка – это чемпион по созданию проблем как для пациентов, так и для медицинского персонала стационаров и в амбулаторной службе. Хуже нее только клебсиелла, но о ней поговорим попозже. При этом E.coli не летает по воздуху и не имеет ножек для самостоятельного перемещения и инфицирование ею – это почти всегда «болезнь грязных рук». С патологией, вызванной этим возбудителем, пациент может прийти к любому врачу, а медицинский персонал может принести уже на своих руках кишечную палочку любому пациенту с одной лишь разницей – это будет не дикий и симпатичный зверек, убиваемый обычным амоксицилином, а вооруженная до зубов особь, умеющая очень эффективно убивать сама. То есть это один из тех врагов, которых совершенно точно надо знать в лицо. Микробиологические аспекты E.coli относится к типичным представителям семейства Enterobacteriaceae, являясь грамотрицательной бактерией, факультативным анаэробом в составе нормальной кишечной микрофлоры человека. Но тут же становится патогеном, выбравшись из среды нормального обитания, хотя отдельные штаммы являются патогенными и для желудочно-кишечного тракта. То есть кишечная палочка относится к кишечным комменсалам, кишечным патогенам и внекишечным патогенам, каждый из которых мы кратко разберем. К штаммам E.coli, действующим как кишечные патогены и встречающимся чаще других, относятся:
Затем тот же штамм обнаружился при вспышке ПТИ в Финляндии, но к тому времени пациентов с диареями до появления микробиологических результатов перестали лечить бактерицидными антибиотиками и ситуация была купирована в зародыше. И третий громкий (для нашей страны) случай – это массовое заболевание питерских школьников в Грузии, где так же был выявлен этот штамм (пресс-релиз Роспотребнадзора по данному случаю лежит здесь).
Когда кишечная палочка выступает внекишечным патогенном? Почти всегда, когда обнаруживается вне места своего нормального обитания.
Этот факт объясняется близким анатомическим расположением двух систем и огрехами в личной гигиене, что позволяет на этапе эмпирической терапии вышеперечисленных заболеваний сразу же назначать препараты, активные в отношении кишечной палочки.
(часть вторая) Практические вопросы диагностики и лечения. Когда мы можем заподозрить, что перед нами пациент с инфекцией, вызванной кишечной палочкой?
Подтвердить или полностью исключить кишечную палочку из возбудителей может только микробиологическое исследование. Конечно, в современных условиях микробиология уже становится практически эксклюзивом, но мы пришли учиться, а учится надо на правильных примерах, поэтому далее будет рассмотрен ряд антибиотикограмм, выполненных автоматизированными системами тестирования. Вдруг вам повезет, и в вашем лечебном учреждении все уже есть или в ближайшее время будет, а вы уже умеете с этим всем работать? Если вы читаете данный цикл по порядку, то в базовом разделе по микробиологии был выложен ряд антибиотикограмм некоего микроорганизма в контексте нарастания антибиотикорезистентности, и это была наша сегодняшняя героиня – кишечная палочка.
Чем лечим?
Если такая кишечная палочка окажется внекишечным патогенном, и перед вами будет беременная и ИМП (самый частый случай), то нам необходимо преодолеть резистентность к пенициллинам, то есть подавить деятельность пенициллиназ. Соответственно высокую эффективность продемонстрируют препараты с ингибиторами бета-лактамаз, чаще всего амоксициллина/клавуланат, как наиболее безопасный и эффективный. Единственное, пациентку необходимо предупредить, что в результате стимуляции рецепторов кишечника может развиться антибиотик-ассоциированная диарея.
В каких ситуациях мы можем увидеть (или подумать) о таком звере:
Что делать?
Подобный пациент не придет к вам своими ногами, его не увидит амбулаторная служба, это абсолютно стационарные больные, и если их привезут, то только из другого лечебного учреждения. Чаще всего это пациенты палат интенсивной терапии или реанимации, и такой возбудитель носит на 100% нозокомиальный характер. Когда можем его обнаружить:
И всегда это будет ятрогенное поражение как следствие неправильной гигиены рук персонала либо обработки инструментария. Можно возразить «но как же тяжелые перитониты?». Отвечу тем, что для тяжелых перитонитов без дефектов ухода наиболее характерен штамм на третьем рисунке, так как для того, чтобы вырастить такую зверюгу, тяжелому перитониту здоровья не хватит, он от осложнений погибнуть успеет, а сама кишечная палочка ножками ходить не умеет, мы ее исключительно неправильно мытыми ручками разносим, и доказать это элементарно, так как точно такие же штаммы будут высеваться при плановых проверках эпидемиологической службы. Что делать?
Что делать?
А теперь подведем небольшой итог нашего непростого разговора:
Резюмируя вышесказанное, и как бы обидно это ни прозвучало, но почти всегда инфекции, вызванные кишечной палочкой, – это «болезни грязных рук» и показатель микробиологического неблагополучия. И одна из серьезных проблем медико-профилактических служб, так как при всем желании они не смогут полностью изъять источник инфицирования, так как он в прямом смысле находится во всех нас, и только соблюдение санитарных правил и санпросвет. работа могут значительно поспособствовать в сдерживании развития вышеуказанных заболеваний. Вас может заинтересовать
|
Автор: Трубачева Е.С., врач – клинический фармаколог
Источник