Чем бактерии отличаются от микробов: Бронхо-Мунал®
Планета бактерий
Константин Северинов: чему мы можем научиться у господствующей на Земле формы жизни
Окруженные со всех сторон бактериями, мы сидим в кафе Сколтеха, подкармливаем кофе с пирожными бактерий, проживающих в нашем теле, и говорим о бактериях, с каждым сказанным словом вдыхая и выдыхая их. Константин Северинов — один из тех ученых, кто, добившись международной известности, вернулся делать науку в Россию. Выпускник биофака МГУ, сейчас он заведует лабораториями в Институте биологии гена РАН и в Институте молекулярной генетики РАН, является профессором Сколковского института науки и технологий и профессором Университета Ратгерса (США). Впрочем, для нас главное — что он изучает этих маленьких невидимых существ, которые первыми заселили Землю.
— Мне интересно, чтоб было интересно, — пожимает плечами Северинов. — Интересы, конечно, меняются, но я решил заняться биологией лет в шесть-семь и с тех пор не жалею.
Кстати, я абсолютно убежден, что самые полезные приложения в биомедицине возникают не потому, что вы, например, решили победить рак и будете с ним бороться. Наука не боксерский матч. Отгадка, как правило, находится вовсе не там, где ее ищут.
Сейчас мне интересней всего, как происходит экспрессия генов, — как на молекулярном уровне принимается решение, чтобы ген начал или остановил свою работу. Эти процессы универсальны, понять их очень важно — они лежат в основе развития организма или заболеваний, таких как рак. А еще мне интересна экология микробов, взаимодействие микробов и вирусов друг с другом и с высшими организмами. Ведь основная форма жизни на Земле — это микробы. Она не только самая древняя, но и самая разнообразная, хоть мы и считаем себя венцом творения, самыми важными обитателями Земли. В реальности это, конечно, не так.
Главные жители Земли
[Кот Шрёдингера] Да ведь это мы — многоклеточные, такие разнообразные и непохожие друг на друга! А микробы хоть и существуют на миллиарды лет дольше, не слишком отличаются друг от друга, по крайней мере для неспециалиста.
[КС] Всё ровно наоборот: это мы очень скучные и одинаковы, а они очень даже разные! Критерий разнообразия — не ручки-ножки или цвет глаз, а разнообразие генетическое. Ведь всё живое — это просто генетический текст, послание, закодированное в виде последовательностей нуклеотидов ДНК. Оценить разнообразие жизни можно просто сравнив эти тексты. Точно так же можно оценить, например, разнообразие группы восточнославянских языков, сравнив русский, украинский и белорусский и подсчитав, сколько различий они накопили.
Бактерии — микроорганизмы, клетки которых не содержат ядра (прокариоты). Еще прокариотами являются археи, но их куда меньше. На сегодня описано около 10 тысяч видов бактерий, но предполагается, что их свыше миллиона. Впрочем, понятие «вид» у бактерий довольно условное.
Биоинформатика — очень модная наука. Она изучает, как передается и обрабатывается информация в живых клетках и между ними. В узком смысле — математические методы анализа геномов, позволяющие сравнивать их.
Геном — записанная с помощью ДНК наследственная информация, копия которой содержится в каждой клетке организма. Работу генома как организованного целого изучает геномика.
Представьте себе универсальное древо жизни — огромное дерево, на котором каждая веточка — это некий генетический текст, соответствующий какому-либо организму. Это дерево очень большое, и происходим мы из одного корня: вся жизнь возникла на планете единожды. Точнее, вся современная жизнь. Так вот, на этом очень разлапистом, ветвистом дереве все человечки, животные, растения и рептилии — это лишь одна небольшая веточка, а все остальные очень разные ветви — как раз микробы. Они для нас однообразны, потому что мы их не видим. Но с молекулярной точки зрения они составляют 90–95% разнообразия жизни на планете.
[КШ] Как это генетическое разнообразие проявляется в жизни микробов?
[КС] Я недавно готовил конференцию под названием «Экстремофилы», и мы общались с шефом департамента науки в Минобре.
[КШ] Вот тут, вокруг нас, воздух весь ими заполнен?
[КС] Что значит «заполнен»? Вон микроб пролетел, видите? Да, их много: в кубическом метре воздуха микробов примерно столько, сколько людей в Москве. А в кубическом сантиметре снега в Антарктиде от 10 до100 бактериальных клеток.
Они могут не жить активно, а просто сидеть, словно пассажиры, и ждать, когда какой-нибудь айсберг отвалится и увезет их в Африку.
Фото: Фотобанк Лори / Колонии бактерий в чашке Петри.
Этот лабораторный сосуд был изобретён в 1877 году и назван так в честь изобретателя,
немецкого бактериолога Юлиуса Петри, ассистента Роберта Коха
Как эволюционируют микробы
[КШ] Бактерии эволюционируют быстрее других существ?
[КС] Просто они быстро делятся, и их очень много. Они словно самим господом богом созданы для эффективного естественного отбора. Кишечная палочка делится за 15 минут. Если вы посадили одну бактерию кишечной палочки в чашку, то через 8 часов обнаружите колонию ее потомков размером с булавочную головку — в ней будет 10 миллионов бактерий, это опять-таки — столько, сколько человек живет в Москве.
Чтобы попытаться выработать у москвичей устойчивость к радиации, придется взорвать над столицей атомную бомбу и ждать потомства от выживших.
Горизонтальный перенос генов— передача генетического материала другому организму, не являющемуся потомком.
Митохондрия — органелла (орган клетки) размером с бактерию, запасающая и высвобождающая по мере надобности энергию. У нее есть свой геном. Считается, что митохондрии — это бывшие бактерии, которые внедрились в клетки более продвинутых организмов.
Ретровирусы — вирусы, генетическая информация которых содержится в на молекуле РНК. После проникновения ретровируса в клетку его РНК переписывается в ДНК, которая транспортируется в ядро и встраивается в ДНК клетки. Самый известный представитель — ВИЧ.
[КШ] У них, кажется, есть специальный механизм, позволяющий обмениваться генами разным видам бактерий?
[КС] Есть, действительно.
Генетика дарвинизма предполагала только вертикальную передачу признаков — по наследству. Всё древо жизни казалось такой ветвящейся структурой, растущей из одного корня и постепенно усложняющейся. Наверху, конечно же, всегда был человек. Предполагалось, что у каждого вида своя эволюционная траектория, идущая от общего корня, и эти траектории не пересекаются.
Но у бактерий широко распространен горизонтальный перенос генов, когда один вид обменивается генами с другим. Вот представьте себе: пошли вы в зоопарк, увидели слона — вам понравился его хобот, вы обменялись со слоном соответствующими генами и ушли уже с хоботом. Бактерии так делают часто — для одноклеточных это просто. И получается, что ветви на эволюционном древе не изолированы, а образуют сеть.
[КШ] Обмен генами случаен или бактериям действительно может понравиться чужой «хобот»?
[КС] Случаен, никто ничего не выбирает. Допустим, сидят себе бактерии, и тут вдруг становится очень плохо — среда изменилась.
Большинство бактерий умирает, и вся их ДНК вытекает наружу. А некоторые выживают и встраивают в себя части этой ДНК. Большинству это ничего не дает, а кто-то получает новые возможности — он растет, и ему становится совсем хорошо, потому что все вокруг погибли: еды куча, никто не мешает.
Фото: Microbe World/flickr.com / Споры сибирской язвы.
Они могут выдержать долгое кипячение и подолгу не гибнут в дезинфицирующих препаратах
[КШ] У людей довольно большая часть ДНК вирусного происхождения. Значит, тут тоже речь идет о горизонтальном переносе. Возможен ли перенос генов от бактерий к людям?
[КС] Нет, у нас с бактериями разные вирусы. У нас нет бактериальных генов, кроме тех, что мы когда-то получили от бактерий, ставших митохондриями в клетках нашего организма. Помните, как возникли клетки, от которых произошли мы и все, кого мы видим в зоопарке? Наш одноклеточный предок захватил некую древнюю бактерию и заставил ее кашу варить — энергию вырабатывать.
Но чтобы эта бактерия не прибила нашего предка, большинство генов из нее было перенесено в ядро.
А гены вирусов, про которые вы говорите, действительно составляют у нас солидную часть генома. Это остатки ретровирусов, которые встроились в разные места нашей ДНК. Они встроились так, чтобы мешать работе наших генов, но испортились потихонечку. Некоторые из них, правда, еще могут прыгать по ДНК, и когда они прыгают, то могут возникать неприятные вещи типа рака. Кстати, интересно, что мы довольно сильно отличаемся от обезьян по «вирусному геному», а те 30 тысяч генов, которые кодируют белки, отличаются от обезьяньих гораздо меньше.
Это год, когда человек впервые увидел бактерии. Это был голландский натуралист Антони ван Левенгук, усовершенствовавший микроскоп. Как и всех прочих микроскопических существ, он назвал их «анималькули».
[КШ] Способны ли бактерии наследовать приобретенные признаки?
[КС] Несколько назад опыты показали, что таки да, у бактерий может быть так называемая ламарковская наследственность, связанная с горизонтальным переносом генов.
Например, у бактерий открыли некую новую иммунную систему. У людей, которые занимаются оптимизацией штаммов для молочной промышленности, есть большая проблема: вирусы убивают ферментацию, и миллиарды долларов теряются из-за испорченного молока. Если вирус заражает бактерию, все бактерии дохнут, но иногда возникают бактерии, устойчивые к вирусу. Почему?
Оказалось, вовсе не потому, что в популяции изначально были резистентные бактерии. Механизм возникновения устойчивости обнаружился такой: небольшой кусочек ДНК вируса попадает в геном бактерии и делает ее устойчивой к вирусу. Этот захваченный фрагмент ДНК, примеряется к заходящему вирусу, и если обнаруживается полное соответствие, бактерия вирус убивает. Это как память, которая передается по наследству. Но такая иммунная система не очень эффективна: она работает только при условии, что чужеродная ДНК точно соответствует захваченному куску. Даже одно различие не позволит убить вирус.
Но с точки зрения генных инженеров и ученых, которые хотят лечить всякие генные болезни, этому механизму цены нет — на его основе совсем недавно был создан метод редактирования генома CRISPR, который сейчас не использует только ленивый.
Я думаю, первое действительно эффективное лекарство от рака возникнет именно благодаря этой технологии. Есть, например, больной с лейкемией, у него в ДНК изменена лишь одна буква из трех миллиардов. До недавних пор не было технологии, позволяющей найти и изменить единственную опечатку. А эта система способна гарантированно узнать неправильную копию и уничтожить ее. То есть бактериальную иммунную систему фактически научились инсталлировать в человеческую клетку, и она работает как часы. Теперь мы можем заменить любую букву в нашем генетическом коде.
Фото: Microbe World/flickr.com / Колония сальмонеллы.
Этот род бактерий назван в честь их открывателя ветеринара Дэниеля Салмона (1850–1914)
[КШ] Скоро ли методы редактирования генома позволят нам самим создавать полезных микробов?
[КС] Молекулярная инженерия существует давно — с 1973 года, и изменить бактерию не такая сложная задача. У моих студентов в Сколтехе завтра начинается практикум: они все будут это делать.
Но что получится, мы не знаем. Предсказать, как изменение гена или внесение дополнительного гена повлияет на конечный результат, мы пока не можем.
Сейчас в моду входит системная биология, которая пытается предсказать последствия генетических изменений в организме, пытается конструировать какие-то новые генетические сети с требуемыми свойствами. Чтобы кишечная палочка, например, ела нефть, ей нужно ввести некий комплекс генов, который, по мнению исследователей, связан со способностью перерабатывать нефть. Эта задачу очень трудно решить — мы слишком мало знаем. Изменить ген легко, но, скорее всего, то, что получится, не будет работать: вы просто испортите генетический механизм, и палочка умрет либо станет кривая или косая.
Зоопарк внутри человека[КШ] Если они так хорошо приспосабливаются, не обречены ли мы на проигрыш в гонке вооружений с микробами? Рано или поздно появится смертельная инфекция, с которой невозможно будет справиться…
[КС] Эти страхи возникли еще в XIX веке с подачи Пастера, когда вдруг выяснилось, что мы находимся в состоянии войны с коварным противником — микробами.
Но реальная ситуация совершенно не такая. Большинство микробов о нас знать не знают, они занимаются своими делами, и мы им глубоко безразличны. Идея, что микробы — это что-то очень плохое, посланное богом за наши прегрешения, совершенно неверна. Мы зависим от микробов гораздо больше, чем они от нас. Наше тело состоит из триллиона клеток — потомков единственной оплодотворенной яйцеклетки. При этом внутри нашего организма находится 10 триллионов бактериальных клеток! Большая часть из них живет в кишечнике и составляет огромный орган, который сейчас называют микробиом.
Обычно говорят, что самый крупный орган человека — печень: она весит больше мозга. Но на самом деле это, конечно, микробиом. Он выполняет массу совершенно необходимых для нас функций. Например, наши клетки вдруг потеряли возможность производить ряд витаминов, необходимых для жизни. Мы можем себе это позволить, потому что в нас живут бактерии, которые производят эти витамины. Они вносят огромный вклад и в работу иммунной системы, защищая нас от вредных бактерий, которых абсолютное меньшинство.
Метагеном — совокупный геном сообщества организмов, живущих вместе. Недавно, например, китайские ученые прочитали метагеном микробов, обнаруженных в смоге Пекина. Их там оказалось очень много, больше тысячи.
Микробиом человека — сообщество бактерий, живущих в нашем кишечнике. Мы никогда не будем одиноки!
Секвенирование — определение последовательности нуклеотидов, из которых состоит ДНК, то есть прочтение генетического кода.
[КШ] Бактерии, которые внутри нас живут, хорошо изучены?
[КС] Ученые совсем недавно поняли всю степень их разнообразия, что у нас внутри целый зоопарк, огромная «темная материя» микробов. Раньше микробиологи изучали только те бактерии, которые им удавалось вырастить в чашке Петри. Но подавляющее их большинство — 99,99% — просто не хотят на наших чашках расти, им не нравится питательная среда, которую мы им предлагаем. А современные методы геномного секвенирования позволяют читать геномы даже бактерий, культивировать которые не получается.
Вот вы можете походить по комнате с пылесосом и засосать воздух, а потом с помощью современных машинок выделить из пыли все ДНК и определить так называемый метагеном комнаты. Метагеном — это набор генов всех организмов, которые присутствовали в анализируемом образце. И в нем вы обнаружите огромное количество генетических следов разнообразных неизвестных бактерий. Если речь идет о метагеноме кишечника, то вы можете найти корреляции между какими-то кусками этих генетических текстов и какими-то свойствами человека — например, продолжительностью его жизни или какими-то патологиями.
[КШ] Метагеном каждого человека уникален?
[КС] Человек несет в себе уникальный набор микробов, внутри семьи они обычно похожи. Это важно для диагностики и персональной медицины ближайшего будущего, например для разработки правильной диеты. Диета оказывает огромное влияние на что угодно. Но когда я ем шоколадку, мои клетки получают не какао, сахар и масло, а продукты их глубокого разложения живущими в моем пищеварительном тракте бактериями.
Есть такая замечательная вещь, как пересаживание кала, — этот метод в США прошел клиническое испытание на людях и уже используется. Оказывается, лучший способ похудеть — это пересадить себе какашку худого человека, которая, как известно, в основном состоит из его бактерий.
В дальнейшем можно будет на своей странице в соцсетях выставлять не только геном, но и метагеном. И если какой-нибудь Цукерберг или Брин будут иметь доступ к этой информации, они смогут проводить исследования, например, о связи определенной бактерии с желанием, я не знаю, купить айфон. А медики, скажем, выяснят, что все, кто ел огурцы и имел такую-то бактерию, рано умерли. То есть бактерии могут служить диагностическими маркерами заболеваний или какого-то поведения.
Таков размер самой крупной бактерии Thiomargarita namibiensis. Большинство же бактерий имеют размер 0,5–5 мкм.
[КШ] Сейчас что можно сказать о человеке, проанализировав его метагеном?
[КС] Да почти ничего.
Кстати, проанализировав геном, тоже почти ничего пока нельзя сказать. К сожалению, это сложно. Любой человек с точки зрения геномики — это, в общем, одна и та же книжка. Если вы возьмете «Войну и мир» и увеличите ее в тысячу раз, там будет три миллиарда букв. Каждый из нас — произведение, содержащее три миллиарда букв ДНК, но при этом отличаемся друг от друга лишь на 0,1% этой последовательности — на три миллиона букв. Эти «опечатки» обеспечивают нашу индивидуальность и предрасположенность к болезням. Есть очень простые заболевания, как гемофилия у Романовых, причиной которой служит одна-единственная опечатка. Но на возникновение шизофрении или рака влияют десятки и сотни опечаток — пока вычленить все влияния не представляется возможным. С микробиомом то же самое.
[КШ] А как же антибиотики? Получается, они разрушают всё наше уникальное сообщество бактерий?
[КС] Такое ощущение, что, хотя на короткое время антибиотики резко всё меняют, потом микробиом восстанавливается в прежнем виде.
Возможно, это связано с аппендиксом. Некоторые ученые утверждают, что аппендикс — это такой резервуар, маленький домик для нашей микрофлоры.
Фото: Shutterstock / Heliobacter pylori. Считается, что именно эта бактерия виновна в развитии язвы желудка
О чем микробы говорят друг с другом
[КШ] Почему разные страшные эпидемии обычно приходят из Африки?
[КС] Думаю, это не совсем правильное утверждение, — уверен, например, что туберкулез не оттуда. В Африке просто разнообразные условия и биоразнообразие очень большое. Это такая гигантская лаборатория, в которой можно обкатывать всякие новые варианты. И одна из причин, почему Африку так тяжело было завоевать или покорить. Европейская цивилизация развивалась в схожих климатических условиях. А когда вы движетесь с севера на юг, возникают новые климатические зоны с новыми микробами. То же самое в вытянутой с севера на юг Америке: майя, инки, ацтеки почти не общались друг с другом, потому что не могли пройти этот барьер — в новых природных условиях их убивали непривычные для их организма микробы.
[КШ] Сами бактерии как-то общаются между собой?
[КС] Безусловно, с помощью химических сигналов. Антибиотики ведь не люди изобрели — это вещества, с помощью которых микробы общаются друг с другом. Ученые всегда изучали бактерий в чистой культуре определенного вида, но в природе такого не бывает: у любого места обитания свой микробиом, сообщество разных микробов, где все зависят друг от друга. У них сложные отношения, всё как у людей, хотя конечная цель каждого вида — победить, всё захватить. Но другие бактерии не дают — возникает какой-то баланс.
Самая важная информация для бактерий — это есть ли еда, сколько вокруг других представителей твоего вида и других видов. Определяют они это с помощью механизма, который по-английски называется quorum sensing, — некоторые переводят это как «чувство локтя». В небольшом объеме среды каждая бактерия выпускает наружу какое-то вещество, которое ее собратья могут почувствовать. Если бактерий много, то и вещества будет много — они поймут, что здесь тесно и, вместо того чтобы размножаться как бешеные, образуют споры или биопленку.
Так, например, происходит в легких больного муковисцидозом — микробы говорят другу: «Нам здесь стало очень тесно» и образуют пленки, а больной при этом умирает. Для таких сообщений им и нужны антибиотики.
Фото: Andrii Muzyka/Shutterstock / Бактерии и вирусы в сосуде человека среди клеток крови
[КШ] То есть антибиотик — это сигнал типа «убей себя», а не какой-то яд, который, допустим, мембраны разрушает?
[КС] Да, антибиотик — это информация, сигнальная молекула, которая изменяет экспрессию генов. В природе антибиотики, как правило, не достигают такой концентрации, при которой убивают. А поскольку антибиотики были изобретены бактериями для общения между собой, то и гены устойчивости к антибиотикам возникли давным-давно, задолго до всяких врачей. Именно поэтому победить устойчивость к антибиотикам всё равно никогда не удастся. Гены устойчивости появились не потому, что злые бактерии вдруг решили наступить на горло нашей песне.
Если вы возьмете образцы бактериальной ДНК из скважины, пробуренной в вечной мерзлоте, то, конечно, найдете гены устойчивости ко всем антибиотикам. Ведь бактерия, которая их производит, по определению к ним устойчива, то есть сама является источником антигенов.
Война с микробами: антибиотики и бактериофаги
[КШ] Что-то в последние десятилетия ничего не слышно о новых антибиотиках.
[КС] Они не появляются с конца 80-х годов. Во-первых, до недавнего времени антибиотики, которые были, и так работали хорошо. Во-вторых, новые найти очень непросто. Золотой век антибиотиков закончился. Вот я, например, работаю в Институте микробиологии Ваксмана [подразделение Университета Ратгерса — КШ] , а Ваксман — это человек, который получил Нобелевскую премию за стрептомицин, которым изначально лечили туберкулез. Так вот, он отправлял своих друзей и сотрудников по городам и весям за образцами земли, потому что большинство антибиотиков производится почвенными бактериями: их там слишком много живет — вынуждены общаться.
В институте, построенном на его Нобелевскую премию, эти почвенные бактерии до сих пор болтаются — работать там невозможно, потому что они всё перезаразили. Крупные фармкомпании тоже собирали образцы почвы по миру и потом из найденных в ней бактерий выделяли антибиотики. Выделяли-выделяли — так возникло большинство антибиотиков, но постепенно новые перестали появляться. Потому что количество культивируемых бактерий невелико.
Для того чтобы выделять новые антибиотики, по-видимому, будет использоваться та самая геномика, которая позволяет смотреть генетическую информацию «темной материи» неизвестных бактерий. Биоинформатика может выделить кластеры генов, которые потенциально могут кодировать антибиотики, потом генные инженеры будут создавать специальные штаммы-продуценты.
Собственно, этим и я занимаюсь — мы делаем предсказания: мол, такая-то бактерия, такие-то гены могут быть ответственны за производство таких-то веществ. Потом мы это вещество должны получить, поймать, охарактеризовать, выявить его структуру, показать, что это вещество действует на клетку, понять, как именно действует, почему оно проходит в клетку, почему убивает клетки и при этом не убивает ту клетку, которая его производит, как вещество делается.
Фото: NOBEASTSOFIERCE/Shutterstock / Раскрашенная электронная миктофотография бактерии сальмонеллы, возбудителя самльнонеллеза
[КШ] То есть у вас в лаборатории есть претенденты на новые антибиотики?
[КС] У нас есть некоторое количество новых, еще не описанных веществ с интересными функциями. Но мы изучаем их с точки зрения механизмов действия, а не с точки зрения практического применения.
Понимаете, найти какое-то вещество, которое убивает бактерию, несложно, таких веществ десятки тысяч. Проблема в том, что антибиотик не должен вызывать в клетках человека никаких разрушений. Еще вы должны будете доказать, что, если он попадет в кровь, то будет поглощаться и доставляться к источнику инфекции в требуемой концентрации. Он должен быть достаточно стабилен, его нужно произвести в больших количествах, и это должно быть экономически выгодно. С точки зрения промышленного производства всё это гораздо важнее, чем просто найти антибиотик.
Столько разновидностей бактерий живёт у вас во рту (приблизительная оценка). При среднем поцелуе партнеры обмениваются примерно 80 миллионами бактерий.
[КШ] Так все-таки, не уничтожат нас микробы, пока мы будем решать все эти вопросы? Появляются новые болезни, бактерии быстро приобретают устойчивость к антибиотикам…
[КС] Это, конечно, ужас, но не ужас-ужас-ужас. Прямо сейчас никто не вымирает. Новых болезней немного, а вот масса заболеваний, которые до недавних пор воспринимались как генетические или связанные с какими-либо дефектами, как выясняется, имеют бактериальную природу: от диабета до колитов и даже шизофрении — оказывается, чтобы завелись тараканы в голове, нужны кое-какие бактерии в животе.
[КШ] Сможем ли мы когда-нибудь победить все инфекции, найти средство от всех вредных микробов?
[КС] Нет, излечить всё и вся, конечно же, не получится. Взять те же антибиотики: если они очищают от микробов какую-то нишу, где те спокойно жили, там обязательно заводится кто-нибудь другой.
Все-таки жизнь существует уже 3,5 миллиарда лет и научилась приспосабливаться ко всяким разностям. Особенно учитывая, что бактерии постоянно обмениваются своими генами и вирусами. А мы — та среда, в которой происходит их отбор. Когда среда меняется, меняются и они.
Фото: Shutterstock / Бактерия путешествует по кровяному руслу
[КШ] Кроме антибиотиков у нас есть еще одно супероружие — бактериофаги.
[КС] Бактериофаги — это вирусы бактерий, их огромное количество. Бактериям в этом смысле жить гораздо тяжелее, чем нам. Поскольку каждый бактериофаг специфичен к той бактерии, на которой паразитирует, они могут быть эффективнее, чем антибиотики. Бактериофаги открыли лет сто назад, и изначально именно их планировали использовать против бактерий. Но открытие антибиотиков позволило на время забыть про бактериофагов.
Тем не менее в бывших соцстранах бактериофаги широко применялись, потому что, с одной стороны, с антибиотиками у нас были проблемы, а с другой — человек, открывший бактериофаги, Феликс Д’Эрелль, большой любитель путешествий и экзотических женщин, приехал в середине тридцатых готов в Грузию, нашел там всё, что любил, и создал институт бактериофагов.
Потом, правда, удрал, говорят, не поделил женщину с каким-то энкавэдэшником. Но институт остался, там же был завод, где делались таблетки, такие заводы и сейчас есть в Нижнем Новгороде и Перми. У советского солдата в личном пакетике всегда была таблетка интестифага. Кстати, большинство войн сегодня проигрывается, как и во времена Римской империи, не из-за поражений, а из-за поносов.
[КШ] Чем бактериофаги хуже антибиотиков?
[КС] По идее, бактериофаг очень удобен, потому что убивает именно ту бактерию, под которую заточен. Но он сам по себе вызывает иммунный ответ организма. Еще одна проблема — конструирование новых бактерий: бактериофаги часто переносят ДНК от одной бактерии к другой. И масса новых патогенов — это обычные бактерии, которые просто подцепили вирус. Поэтому есть сильное подозрение, что широкое использование бактериофагов могло бы привести к развитию новых опасных патогенов.
Точных ответов никто не знает, слишком мало было надежных исследований.
На Западе интерес к этой теме сейчас возрос: например, бактериофагами лечат «ножки Буша», на которых развивается сальмонелла, — опрыскивают их, как спреем, и увеличивают срок годности.
У бактериофагов есть гены, которые позволяют убить клетку. И если вы умеете читать геномы бактериофагов и определять нужные гены, то можете просто применять их как инструмент для выделения генов, продукты которых могут быть использоваться как кандидаты в антибиотики.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №4 (06) за апрель 2015 г.
Источник: kot.sh
Как наука борется с бактериями, устойчивыми к антибиотикам — Российская газета
Мы думали, что после открытия пенициллина больше не будем бояться микробов. Но мы ошибались. Это напоминает настоящую войну. Человек изобретает всё новые средства обороны от бактериальных атак. В ответ микроорганизмы совершенствуют оружие, тренируют бойцов, используют средства маскировки и диверсионные группы. Проблема инфекций, устойчивых к антибиотикам, стала настолько серьёзной, что недавно ей посвятили специальное заседание Генеральной Ассамблеи ООН.
Согласно представленным данным, из-за лекарственно-устойчивых инфекций ежегодно умирают минимум 700 000 человек. Не поддающиеся истреблению микробы встали в один ряд с глобальным изменением климата и прочими проблемами планетарных масштабов.
Зимой 2003 года у Рики Ланнетти, успешного 21-летнего футболиста, начался кашель, а затем тошнота. Через несколько дней мама Рики заставила сына обратиться к врачу. Все симптомы указывали на вирус гриппа, поэтому тот не прописал Рики антибиотики, ведь они убивают бактерии, а не вирусы. Но болезнь не проходила, и мать отвезла Рики в местную больницу — к этому моменту у юноши уже отказывали почки. Ему назначили два сильнодействующих антибиотика: цефепим и ванкомицин. Но меньше чем через сутки Рики умер. Анализы показали, что убийцу звали метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) — токсичная бактерия, устойчивая ко множеству антибиотиков.
Такие штаммы, как MRSA, сегодня называют супермикробами. Подобно героям ужастикам, они мутируют и приобретают сверхспособности, позволяющие противостоять врагам — антибиотикам.
Конец эры антибиотиков
В 1928 году, вернувшись из отпуска, британский биолог Александр Флеминг обнаружил, что оставленные им по невнимательности чашки Петри с бактериальными культурами заросли плесенью. Нормальный человек взял бы да и выбросил её, но Флеминг принялся изучать, что же случилось с микроорганизмами. И выяснил, что в тех местах, где есть плесень, нет бактерий-стафилококков. Так был открыт пенициллин.
Флеминг писал: «Когда я проснулся 28 сентября 1928 года, то, конечно, не планировал совершить революцию в медицине, открыв первый в мире антибиотик, но, полагаю, именно это я и сделал». Британский биолог за открытие пенициллина в 1945-м году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине (вместе с Говардом Флори и Эрнстом Чейном, которые разработали технологию очистки вещества).
Современный человек привык к тому, что антибиотики — доступные и надёжные помощники в борьбе с инфекционными болезнями. Ни у кого не вызывает паники ангина или царапина на руке.
Хотя лет двести назад это могло привести к серьёзным проблемам со здоровьем и даже к гибели. XX век стал эпохой антибиотиков. Вместе с вакцинацией они спасли миллионы, а может, и миллиарды человек, которые непременно погибли бы от инфекций. Вакцины, слава богу, исправно работают (общественное движение борцов с прививками медики всерьёз не рассматривают). А вот эпоха антибиотиков, похоже, подходит к концу. Враг наступает.
Как рождаются супермикробы
Одноклеточные существа начали осваивать планету первыми (3, 5 миллиарда лет назад) — и непрерывно воевали друг с другом. Потом появились многоклеточные организмы: растения, членистоногие, рыбы… Те, кто сохранил одноклеточный статус, задумались: а что, если покончить с междоусобицей и начать захват новых территорий? Внутри многоклеточных безопасно и много еды. В атаку! Микробы перебирались из одних существ в другие, пока не добрались до человека. Правда, если одни бактерии были «хорошими» и помогали хозяину, то другие только причиняли вред.
Люди противостояли этим «плохим» микробам вслепую: вводили карантин и занимались кровопусканием (долгое время это был единственный способ борьбы со всеми болезнями). И только в XIX веке стало ясно, что у врага есть лицо. Руки стали мыть, больницы и хирургические инструменты — обрабатывать дезинфицирующими средствами. После открытия антибиотиков казалось, что человечество получило надёжное средство борьбы с инфекциями. Но бактерии и другие одноклеточные не захотели покидать тёплое местечко и стали приобретать устойчивость к лекарствам.
Супермикроб может по-разному противостоять антибиотику. Например, он способен вырабатывать ферменты, которые разлагают препарат. Иногда ему просто везёт: в результате мутаций становится неуязвимой его мембрана — оболочка, по которой раньше лекарства наносили сокрушительный удар. Устойчивые бактерии рождаются по-разному. Иногда в результате горизонтального переноса генов вредные для человека бактерии заимствуют у полезных средства защиты от лекарств.
Ещё одно, более реалистичное изображение метициллин-резистентного золотистого стафилококка (MRSA). С каждым годом он распространяется всё шире, особенно внутри больниц и среди людей с ослабленным иммунитетом. По некоторым данным, в США этот микроб ежегодно убивает около 18 тысяч человек (точное число заболевших и умерших определить пока невозможно). Фото: «Кот Шрёдингера»
Порой человек сам превращает организм в центр по тренировке бактерий-убийц. Допустим, мы лечим пневмонию с помощью антибиотиков. Врач предписал: принимать лекарство нужно десять дней. Но на пятый всё проходит и мы решаем, что хватит травить организм всякой гадостью и прекращаем приём. К этому моменту мы уже перебили часть бактерий, наименее устойчивых к препарату. Но самые крепкие остались живы и получили возможность размножаться. Так, под нашим чутким руководством заработал естественный отбор.
«Лекарственная устойчивость является естественным явлением эволюции. Под воздействием противомикробных препаратов наиболее чувствительные микроорганизмы погибают, а резистентные остаются.
И начинают размножаться, передавая устойчивость своему потомству, а в ряде случаев и другим микроорганизмам», — поясняет Всемирная организация здравоохранения.
— Возникновению лекарственной устойчивости способствует то, что многие антибиотики можно купить в аптеке без рецепта врача. Да и сами врачи часто перестраховываются и необоснованно выписывают эти препараты. Допустим, поднялась у человека температура — ему тут же антибиотики дают, не сделав анализы и не разобравшись, что её вызвало, — рассказывает профессор ММСУ Юрий Венгеров (врач-инфекционист, доктор медицинских наук, соавтор книг «Инфекционные и паразитарные болезни», «Заразные болезни», «Тропические болезни. Руководство для врачей», «Лекции по инфекционным болезням»). — Особенно активно селекция микробов происходит в больницах. Там контактируют люди с разными инфекциями, там принимают много антибиотиков. В итоге сейчас стала широко распространятся больничная пневмония и другие внутрибольничные инфекции. Речь идёт не только о бактериальных заболеваниях, но и, например, о грибковых. Среди грибов уже 30% приобрели устойчивость к лекарствам.
Одноклеточные атакуют
Осенью 2016 года в Нью-Йорке идёт заседание Генеральной Ассамблеи ООН, в котором участвуют представители 193 стран, то есть фактически вся планета. Обычно здесь обсуждают вопросы войны и мира. Но сейчас речь не о Сирии, а о микробах, выработавших устойчивость к лекарствам.
«Мировые лидеры продемонстрировали беспрецедентное внимание к проблеме сдерживания инфекций, устойчивых к противомикробным препаратам. Имеется в виду формирование у бактерий, вирусов, паразитов и грибков способности сопротивляться действию препаратов, которые раньше использовались для их уничтожения и лечения вызванных ими болезней. Впервые главы государств приняли на себя обязательство предпринять масштабные и координированные действия по борьбе с первопричинами развития устойчивости к противомикробным препаратам сразу в целом ряде сфер, прежде всего в сферах здравоохранения, охраны здоровья животных и сельском хозяйстве. Это лишь четвёртый в истории случай, когда вопрос здравоохранения был поднят Генеральной Ассамблеей ООН», — сообщает сайт ВОЗ.
Прогноз мрачный. «Пациентам становится всё сложнее излечиваться от инфекций, поскольку уровень устойчивости патогенных микроорганизмов к действию антибиотиков и, что ещё хуже, антибиотиков резервного ряда стабильно растёт. В сочетании с чрезвычайно медленной разработкой новых антибиотиков это повышает вероятность того, что респираторные и кожные инфекции, инфекции мочевых путей, кровотока могут стать неизлечимыми, а значит, смертельными», — поясняет доктор Недрет Эмироглу из Европейского бюро ВОЗ.
— К этому списку заболеваний я бы обязательно добавил малярию и туберкулёз. В последние годы бороться с ними становится всё труднее, поскольку возбудители приобрели устойчивость к лекарствам, — уточняет Юрий Венгеров.
Примерно о том же говорит помощник генерального директора ВОЗ по безопасности здравоохранения Кейджи Фукуда: «Антибиотики теряют эффективность, так что обычные инфекции и небольшие травмы, которые излечивались в течение многих десятилетий, сейчас снова могут убивать».
Модель бактериофага, поражающего микроба. Эти вирусы внедряются в бактерий и вызывают их лизис, то есть растворение. Хотя бактериофаги были открыты в начале XX века, только сейчас их стали включать в официальные медицинские справочники. Фото: «Кот Шрёдингера»
— Бактерии начали сопротивляться особенно рьяно, когда антибиотики стали в огромных количествах применяться в больницах и в сельском хозяйстве, — уверяет биохимик Константин Мирошников (доктор химических наук, руководитель лаборатории молекулярной биоинженерии Института биоорганической химии им. Академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН). — Например, чтобы остановить болезни у цыплят, фермеры используют десятки тысяч тонн антибиотиков. Зачастую для профилактики, что позволяет бактериям узнать врага поближе, привыкнуть к нему и выработать устойчивость. Сейчас применение антибиотиков стали ограничивать законодательно. Считаю, что общественное обсуждение таких вопросов и дальнейшее ужесточение закона позволят замедлить рост устойчивых бактерий. Но не остановят их.
— Возможности создания новых антибиотиков почти исчерпаны, а старые выходят из строя. В какой-то момент мы окажемся бессильны перед инфекциями, — признаёт Юрий Венгеров. — Тут ещё важно понимать, что антибиотики превращаются в лекарство только тогда, когда существует доза, способная убить микробов, но при этом не навредить человеку. Вероятность найти такие вещества всё меньше и меньше.
Враг победил?
Всемирная организация здравоохранения периодически публикует панические заявления: мол, антибиотики первого ряда перестают действовать, более современные тоже близки к капитуляции, а принципиально новые препараты пока не появились. Война проиграна?
— Бороться с микробами можно двумя способами, — говорит биолог Денис Кузьмин (кандидат биологических наук, сотрудник учебно-научного центра ИБХ РАН). — Во-первых, искать новые антибиотики, воздействующие на конкретные организмы и мишени, ведь именно антибиотики «большого калибра», поражающие разом целый букет бактерий, вызывают ускоренный рост резистентности. Например, можно конструировать лекарства, которые начинают действовать только при попадании внутрь бактерии с определённым обменом веществ. Причём производителей антибиотиков — микробов-продуцентов — нужно искать в новых местах, активнее задействовать природные источники, уникальные географические и экологические зоны их обитания. Во-вторых, следует разрабатывать новые технологии получения, культивирования продуцентов антибиотиков.
Эти два способа уже реализуются. Разрабатываются новые методы поиска и проверки антибиотиков. Микроорганизмы, которые могут стать оружием нового поколения, ищут повсюду: в гниющих растительных и животных остатках, иле, озёрах и реках, воздухе… Например, учёным удалось выделить антимикробное вещество из слизи, которая образуется на коже лягушки. Помните древнюю традицию класть лягушку в крынку с молоком, чтобы оно не скисало? Сейчас этот механизм изучили и пытаются довести до медицинской технологии.
Ещё пример. Совсем недавно российские учёные из НИИ по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе исследовали жителей съедобных грибов и нашли несколько потенциальных поставщиков новых лекарств.
Другим путём пошли учёные из Новосибирска, работающие в российско-американской лаборатории биомедицинской химии ИХБФМ СО РАН. Им удалось разработать новый класс веществ — фосфорилгуанидины (выговорить сложно, да и записать нелегко). Это искусственные аналоги нуклеиновых кислот (точнее, их фрагментов), которые легко проникают в клетку и вступают во взаимодействие с её ДНК и РНК. Такие фрагменты можно создавать под каждый конкретный патоген на основе анализа его генома. Возглавляет проект американец Сидней Альтман (лауреат Нобелевской премии по химии 1989 года (вместе с Томасом Чеком). Профессор Йельского университета. В 2013-м получил российский мегагрант и стал работать в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН).
Но самые популярные направления поиска средств против инфекций — это бактериофаги и антимикробные пептиды.
Союзники из лужи
С высоты птичьего полёта здание ИБХ РАН выглядит как двойная спираль ДНК. А сразу за воротами стоит непонятная скульптура. Табличка поясняет, что это комплекс антибиотика валиномицина с ионом калия посередине. Пятьдесят лет назад сотрудники института поняли, как связываются друг с другом ионы металлов и как проходят потом сквозь оболочку клетки благодаря ионофорам.
Сейчас в ИБХ занимаются и другой темой — бактериофагами. Это особые вирусы, которые избирательно атакуют бактерии. Руководитель лаборатории молекулярной биоинженерии Константин Мирошников ласково называет своих подопечных-бактериофагов зверюшками.
— Фаги хороши и одновременно плохи тем, что действуют на конкретный патоген. С одной стороны, мы целимся только в те микробы, которые мешают жить, и не беспокоим остальных, а с другой — на поиски нужного фага требуется время, которого обычно не хватает, — улыбается завлаб.
И бактерии, и бактериофаги есть в каждой луже. Они постоянно сражаются друг с другом, но уже миллионы лет ни одна сторона не может победить другую. Если человек хочет одолеть бактерий, которые атакуют его организм или картошку на складе, нужно в место размножения бактерий доставить больше соответствующих бактериофагов. Вот метафора, к примеру: когда осваивали побережье Золотых песков в Болгарии, там было много змей, тогда привезли много ежиков и те быстро сместили равновесие фауны.
— Два года назад мы начали сотрудничать с агропарком «Рогачёво» под Дмитровом. Генеральный директор организации Александр Чуенко — бывший электронщик и просвещённый капиталист, не чуждый научному подходу, — рассказывает Константин. — Урожай картошки подъедали пектолитические бактерии — мягкая гниль, которая живёт на складах. Если проблему не решать, картофель быстро превращается в тонны вонючей жижи. Обработка картошки фагами как минимум резко замедляет развитие инфекции — продукт дольше сохраняет вкус и товарный вид как в хранилище, так и на полках магазина. При этом фаги атаковали гнилостных микробов и биодеградировали — распались на частицы ДНК, белки и пошли на корм другим микроорганизмам. После успешных испытаний руководство нескольких крупных агрокомплексов заинтересовалось такой биозащитой урожая.
— Как вам удалось найти нужные бактериофаги и превратить их в противоядие? — спрашиваю я, поглядывая на игрушечного фага, стоящего на стопке книг.
— Для поиска есть классический метод двойного агара. Вначале на первый слой агара в чашке Петри стелите эдакий газон из бактерий, сверху льете воду из лужи и закрываете вторым слоем агара. Через какое-то время на этом мутном газоне появляется чистое пятно, значит, фаг сожрал бактерию. Мы выделяем фаг и изучаем его.
Лаборатория Мирошникова вместе с российскими и зарубежными коллегами получила грант РНФ на исследования и диагностику патогенов картофеля. Тут есть над чем работать: растительные бактерии изучены гораздо хуже человеческих. Впрочем, с нашим организмом тоже много неясного. По словам учёных, врачи не так обследуют человека: все анализы и осмотры заточены под антибиотики, а для фаговой терапии нужны другие методы.
— Фаготерапия — это не лекарство в нынешнем понимании, а скорее комплексная услуга, которая включает быструю диагностику и подбор нужного средства против конкретного патогена. В России препараты фагов входят в список лекарственных средств, но не упомянуты в методических рекомендациях для терапевтов. Так что врачи, которые в теме, вынуждены применять фаги на свой страх и риск. А в Польше, например, законодательство гласит, что, если пациента нельзя вылечить методами традиционной доказательной медицины, можно применять хоть танцы с бубном, хоть гомеопатию, хоть фаговую терапию. И во вроцлавском институте имени Гиршфельда фаги применяют в качестве персонализированной медицинской помощи. Причём с большим успехом, даже в случае запущенных гнойных инфекций. Применение фагов — научно обоснованный и биологически понятный, хотя и не банальный метод, — подытоживает Мирошников.
Пептиды — это семейство веществ, состоящих из остатков аминокислот. В последнее время учёные всё чаще рассматривают пептиды как основу для будущих лекарств. Речь идёт не только об антибактериальных средствах. Например, в МГУ им. М.В. Ломоносова и НИИ молекулярной генетики РАН был создан пептидный препарат, который нормализует работу мозга, улучшает память, внимание и устойчивость к стрессу. Фото: «Кот Шрёдингера»
А вот новость из наукограда Пущино. Учёные из филиала ИБХ РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН исследовали, как фермент бактериофага Т5 действует на кишечную палочку. То есть работали не с самими бактериофагами, а с их белками-ферментами. Эти ферменты разрушают клеточные стенки бактерий — они начинают растворяться и гибнуть. Но у некоторых микробов есть надёжная наружная мембрана, и этот метод на них не действует. В Пущине решили в помощь ферменту привлечь вещества, которые увеличивают проницаемость мембраны. В результате экспериментов на культурах клеток кишечной палочки учёные выяснили, что вместе фермент и агент уничтожают бактерии намного эффективнее, чем по отдельности. Количество выживших клеток удалось уменьшить чуть ли не в миллионы раз относительно контрольного опыта. В качестве вещества-помощника использовали дешёвые распространённые антисептики, такие как хлоргексидин, причём в очень низких концентрациях.
Фаги можно использовать не только в качестве лекарства, но и как средство, повышающее эффективность прививок.
— В рамках проекта, получившего поддержку Министерства образования и науки России, мы собираемся применить белки бактериофагов для усиления иммуногенных свойств искусственного антигена, — рассказывает микробиолог Андрей Летаров (доктор биологических наук, заведующий лабораторией вирусов микроорганизмов Института микробиологии им. С.Н. Виноградского ФИЦ Биотехнологии РАН). — Для этого фрагменты антигена методами генной инженерии сшивают с некоторыми белками бактериофагов, которые способны собираться в упорядоченные структуры, например в трубочки или сферы.
Как объясняет учёный, такие структуры своими свойствами напоминают частицы патогенных вирусов, хотя на самом деле никакой опасности для человека и животных не представляют. Иммунная система гораздо охотнее распознаёт такие вирусоподобные частицы и быстро развивает антительный ответ. Это путь к созданию улучшенной вакцины, которая в дополнение к традиционной долговременной защите будет обеспечивать быстрый защитный эффект для предотвращения распространения заболевания в очаге инфекции.
Иммунитет червя и свиньи
Младший научный сотрудник учебно-научного центра ИБХ РАН Павел Пантелеев (кандидат химических наук) любит кататься на велосипеде по горам. Ещё он любит изучать морских беспозвоночных, точнее, их антимикробные пептиды, которые ежедневно сражаются с бактериями в организмах живых существ. Пептиды — это младшие братья белков: они тоже состоят из аминокислот, только их там не больше пятидесяти, а в белках сотни и тысячи.
— В начале каждой статьи о пептидах пишется примерно такая фраза: «Существует острая необходимость создания новых антибиотиков, потому что старые уже не работают из-за резистентности. А антимикробные пептиды обладают чудесным свойством — резистентность со стороны бактерий вырабатывается к ним с большим трудом «. Учебно-научный центр, в котором я работаю, занимается поиском пептидов, которые позволили бы нам противостоять патогенным микроорганизмам, — говорит Павел.
Сегодня известно более 800 таких пептидов, но все они не работают на людях. Лекарства на основе пептидов раз за разом проваливают клинические испытания: не удаётся найти стабильные структуры, которые бы в нужном количестве поступали в нужное место и не вызывали побочных эффектов. Они имеют свойство накапливаться в организме: например, могут убить инфекцию, но не выйти с мочой, а остаться в почках.
— Мы изучаем морских кольчатых червей, — рассказывает Павел. — Вместе с коллегами из Института экспериментальной медицины мы выделили из червей Arenicola marina (морской пескожил) два пептида и изучили их. Когда я был аспирантом, мы ещё ездили на Белое море за червями, но в них новых пептидов так и не нашли. Конечно, это может быть связано с несовершенством методики поиска, но, скорее всего, у этого червя действительно только два пептида, и этого достаточно, чтобы защищаться от патогенов.
— Почему именно черви, их проще изучать?
Дело в том, что существует концепция, согласно которой у древних беспозвоночных система врожденного иммунитета должна быть очень сильной, потому что многие из них живут в не самых благоприятных условиях среды обитания и до сих пор существуют. Сейчас одними из объектов моих исследований являются пептиды мечехвостов.
Павел достаёт телефон и показывает нечто с черепашьим панцирем и кучей отвратительных крабьих лапок. Такое можно увидеть только в фильме ужасов или в плохом сне.
Бактериофаг. Его реальная высота примерно 200 нанометров. Утолщение в верхней части называется головкой. В ней содержится нуклеиновая кислота. Фото: «Кот Шрёдингера»
— Однако не важно, что ты изучаешь, червей, мечехвостов или свиней, — продолжает Павел. — У всех организмов ты будешь исследовать одни и те же ткани и клетки, где находятся пептиды. Например, клетки крови — нейтрофилы у млекопитающих или гемоциты у беспозвоночных. Пока неизвестно почему, можно лишь выдвигать гипотезы, в том числе шутливые. Свинья — не особо чистоплотное животное, поэтому ей нужно больше защитников, которые не дадут бактериям из её грязевой ванны заразить организм чем-нибудь. Но есть и универсальный ответ: в каждом конкретном случае пептидов столько, сколько необходимо для защиты организма.
— Почему пептиды лучше антибиотиков?
— Пептиды хитро устроены. В отличие от антибиотиков, которые, как правило, действуют на определённую молекулярную мишень, пептиды встраиваются в клеточную оболочку бактерии и формируют в ней особые структуры. В конце концов оболочка клетки разрушается под весом пептидов, захватчики проникают внутрь, а сама клетка взрывается и погибает. Кроме того, пептиды действуют быстро, а эволюция структуры мембраны — очень невыгодный и сложный для бактерии процесс. В таких условиях вероятность развития устойчивости к пептидам сводится к минимуму. Кстати, в нашей лаборатории изучают пептиды не только животных, но и растений, например защитные соединения белково-пептидной природы из чечевицы, укропа. На базе отобранных природных образцов мы создаём что-то интересное. Получившееся вещество вполне может быть гибридом — чем-то средним между пептидом червяка и мечехвоста, — уверяет Павел.
P. S.
Хочется надеяться, что лет через пять, десять или двадцать наступит новая эра борьбы с микробами. Бактерии — существа хитрые и, возможно, создадут в ответ ещё более мощные средства обороны и нападения. Но и наука не будет стоять на месте, так что в этой гонке вооружений победа всё-таки останется за человеком.
Человек и бактерии. Метафоры
Друзья
Штатные сотрудники — бактерии, обитающие в нашем организме. По некоторым оценкам, их общая масса составляет от одного до трёх килограммов, а по количеству их больше, чем клеток человека. Они могут быть заняты на производстве (выработка витаминов), в перерабатывающей промышленности (переваривание пищи) и в армии (в нашем кишечнике эти бактерии подавляют рост своих патогенных собратьев).
Приглашённые специалисты по пищевому производству — молочнокислые и другие бактерии используются для производства сыра, кефира, йогурта, хлеба, квашеной капусты и других продуктов.
Двойные агенты — вообще-то, они враги. Но их удалось завербовать и заставить работать на нужды нашей обороны. Речь идёт о прививках, то есть введении в организм ослабленных вариантов бактерий.
Приёмные дети — это уже не бактерии, а части наших клеток — митохондрии. Когда-то они были самостоятельными организмами, но, проникнув сквозь клеточную мембрану, лишились независимости и с тех пор исправно обеспечивают нас энергией.
Рабочие-военнопленные — генетически модифицированные бактерии используются для производства лекарств (в том числе — антибиотиков) и многих других полезных веществ.
Враги
Оккупанты — все те, кто внедряется в наш организм, паразитирует на нём и приводит к ангине, туберкулёзу, чуме, холере и многим другим заболеваниям.
Пятая колона — некоторые бактерии, обитающие в нашем теле или на коже, в обычной ситуации могут быть вполне безвредными. Но когда организм ослаблен, они коварно поднимают восстание и переходят в наступление. Их ещё называют условно-патогенными штаммами.
Защитные крепости — колонии бактерий, которые покрывают себя слизью и плёнками, предохраняющими от действия препаратов.
Бронированная пехота — среди бактерий, устойчивых к антибиотикам, есть такие, которые умеют делать свои внешние оболочки непроницаемыми для молекул лекарств. Мощь пехоты скрыта в липополисахаридном слое. После гибели бактерий этот слой из жиров и сахара попадает в кровь и может вызвать воспаление или даже септический шок.
Тренировочные базы — ситуации, в которых выживают самые устойчивые и опасные штаммы. Такой тренировочной базой для бактериального спецназа может служить организм человека, который нарушает курс приёма антибиотиков.
Химическое оружие — некоторые бактерии научились вырабатывать вещества, которые разлагают лекарства, лишая их целебных свойств. Например, ферменты из группы бета-лактамаз блокируют действие антибиотиков из группы пенициллинов и цефалоспоринов.
Маскировка — микробы, меняющие внешнюю оболочку и белковый состав так, что лекарства их «не замечают».
Троянский конь — некоторые бактерии используют особые приёмчики для поражения врага. Например, возбудитель туберкулёза (Mycobacterium tuberculosis) способен забираться внутрь макрофагов — иммунных клеток, которые отлавливают и переваривают блуждающих болезнетворных бактерий.
Суперсолдаты — этим всесильным бактериям не страшны почти никакие лекарства.
Рекомендации ВОЗ
Десять заповедей антибактериального поведения
1. Своевременно проходите вакцинацию.
2. Применяйте противомикробные препараты только в случае их назначения дипломированным врачом.
3. Ещё раз: не занимайтесь самолечением с помощью антибиотиков!
4. Помните, что антибиотики не помогают от вирусов. Лечить ими грипп и многие виды «простуды» не только бесполезно, но и вредно. Вроде бы это проходят в школе, однако во время исследования ВЦИОМ на вопрос «Согласны ли вы с утверждением, что антибиотики убивают вирусы так же хорошо, как и бактерии?» 46% респондентов ответили «да».
5. Принимайте лекарство ровно в тех дозах и столько дней, сколько назначил врач. Не прекращайте приём, даже когда почувствуете себя здоровым. «В случае если вы не доведёте лечение до конца, есть риск, что антибиотики не убьют все бактерии, вызвавшие вашу болезнь, что эти бактерии мутируют и станут устойчивыми. Это происходит не в каждом случае — проблема в том, что мы не знаем, кто может закончить лечение преждевременно и без последствий», — признаются эксперты ВОЗ.
6. Никогда не делитесь антибиотиками.
7. Не используйте назначенные ранее и оставшиеся после приёма антибиотики.
8. Мойте руки. Пейте только чистую воду.
9. Используйте средства защиты при половых актах.
10. Избегайте тесных контактов с больными. Если сами заболели, проявите благородство — не пытайтесь заразить своих одноклассников, сокурсников или коллег. В смысле — сидите дома.
Бактерия выдержала год в открытом космосе. Но как?
Биологи исследовали микроорганизмы, целый год выживавшие за бортом МКС. Учёные обнаружили, что у бактерий есть целый арсенал средств, защищающих их от суровых условий открытого космоса. К слову, новые данные придётся учесть, чтобы не занести земную жизнь на другие небесные тела или не привезти на Землю инопланетные микробы.
Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Microbiome.
Бактерии вида Deinococcus radiodurans известны своей феноменальной способностью к выживанию. Они выдерживают даже условия за бортом МКС: практически полный вакуум, ужасающий холод до минус 160 °C и космическую радиацию.
Некоторые бактерии в неблагоприятных условиях превращаются в споры – форму, специально предназначенную, чтобы пережить трудные времена. Но D. radiodurans не делает даже этого. Поэтому её живучесть более чем удивительна.
Учёные уже несколько лет проводят эксперименты над этими микроорганизмами. Они высушивают образцы бактерии (чтобы их не разорвали кристаллики льда, образовавшиеся на космическом холоде) и помещают их за борт МКС. Единственной защитой от открытого космоса для микробов служит стекло, поглощающее жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца.
После этого бактерии возвращают на Землю и позволяют им «напиться» воды. При этом некоторые, хотя и не все, экземпляры оживают и начинают размножаться. Текущий рекорд – три года в открытом космосе, и это, судя по всему, не предел.
Авторы новой статьи подвергли самому тщательному изучению образцы, которые провели за бортом МКС год. Учёные исследовали бактерии с помощью электронного микроскопа, а также проанализировали их РНК, белки и продукты обмена веществ.
Внешне «космонавты» почти ничем не отличались от контрольных экземпляров, всё это время находившихся на Земле в таком же высушенном состоянии. Правда, они покрылись своеобразными бугорками, похожими на фурункулы. Их легко заметить на иллюстрации ниже. Учёные пока не знают, откуда взялись эти «бородавки», хотя у них есть несколько гипотез.
Бактерия вида Deinococcus radiodurans, проведшая год в открытом космосе. Клеточная мембрана за это время покрылась заметными выростами, происхождение которых ещё предстоит установить.
А вот белки и РНК побывавших на орбите D. radiodurans несли многочисленные следы этого непростого путешествия. Микробы запустили целый арсенал биохимических механизмов, защищающих их от губительного воздействия космоса. Так, некоторые процессы восстанавливали повреждённую ДНК. Были и механизмы, нейтрализующие вредные для клетки активные формы кислорода. В целом, метаболизм бактерий замедлился. Были и другие изменения.
Авторы подчёркивают, что условия за бортом МКС даже более суровые, чем на поверхности Марса. Так, зимней ночью на Красной планете теплее, чем на поверхности космической станции, когда она входит в тень Земли. А разреженная атмосфера из углекислого газа Марса защищает от ультрафиолета не хуже, чем стекло в экспериментальной установке. Так что микробы, выжившие за бортом МКС, не пропадут и на Марсе.
Это стоит учитывать, чтобы не занести на Красную планету земную жизнь (а потом радостно заявить, что жизнь там была обнаружена). Или чтобы не привезти на Землю гипотетических марсианских микробов, с которыми иммунитет землян может и не справиться.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о водорослях, выдержавших полтора года в открытом космосе. Писали мы и о том, что привезённые с Земли тихоходки могли выжить на Луне.
Российские ученые поняли, как самые живучие бактерии выживают в радиации
Как легендарная бактерия Deinococcus radiodurans ухитряется выживать в радиации, как излучение влияет на живые клетки и можно ли силу бактерий обратить против них самих, выяснили российские ученые.
Многие наслышаны о микроскопических беспозвоночных тихоходках (близкий к членистоногим тип Tardigrada), внешне напоминающих нечто среднее между надувным матрасом и плюшевым мишкой, которые и в воде не тонут, и космического излучения не боятся, и после криозаморозки оживают. Deinococcus radiodurans — «тихоходки» среди бактерий.
Хотя одноклеточные дейнококки сильно отличаются от своего эукариотического (имеющего ядра в клетках) многоклеточного собрата, они вовсе не уступают ему в живучести и могут выдерживать
дозу радиации до 10 тыс. Грей (для человека доза 5 Грей смертельна), высушивание и химическое воздействие.
«О молекулярных механизмах регуляции экспрессии генов у этой бактерии известно относительно мало, — рассказывает Андрей Кульбачинский, профессор РАН, заведующий лабораторией в Институте молекулярной генетики РАН. — Мы исследовали уникальные белки этой бактерии, которые регулируют активность РНК-полимеразы — главного фермента, ответственного за считывание генетической информации с матрицы ДНК. Было показано, что эти белки (Gfh-факторы) способны останавливать РНК-полимеразу в определенных участках генома, что может играть важную роль в изменении активности генов и «починке» ДНК, поврежденной радиацией. Похожие механизмы регуляции активности РНК-полимеразы могут действовать и у многоклеточных организмов». Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ) и была опубликована в журнале PNAS.
Как радиация вредит клетке
Открыты Deinococcus radiodurans были случайно: в 1956 году их нашли «в добром здравии» в банке с мясными консервами, которые пытались простерилизовать с помощью радиации.
В норме любое ионизирующее излучение — поток заряженных или нейтральных частиц или квантов, который способен превращать нейтральные атомы в заряженные ионы, возбуждая их, — разрушает гармонию слаженного механизма химических превращений, которые происходят в живой клетке.
Непреодолимые химические силы начинают тянуть ионизированные атомы к «соседям», к которым в невозбужденном состоянии они были абсолютно «равнодушны». Даже безопасные и вездесущие нейтральные молекулы воды могут превратиться в пероксид и затем в супероксид — опасные свободные радикалы, один из основных источников повреждений биологических молекул в клетке. Действие свободных радикалов называют оксидативным стрессом, так как оно связано с окислением биомолекул.
Результат — случайные химические связи, молекулярная неразбериха и «разрушение традиционных ценностей». Внутри живой клетки главным «хранителем традиций» является ДНК, в которой в закодированном виде содержится инструкция по сборке всех ее белков, важнейших участников основных клеточных процессов. Поэтому радиация (как и многие токсичные вещества), нарушающая последовательность ДНК, несет для клеток смертельную опасность: некоторые мутации могут случайно оказаться полезными, но, если не глядя переставлять детали в исправно работающем сложном механизме, вероятность сломать его несоизмеримо выше, чем вероятность изобрести что-то хорошее.
Кроме того, в ДНК могут образовываться разрывы, мешающие считыванию кода. «Ломаются» и сами белки — особенно часто повреждается SH-группы в цистеине (одной из аминокислот — «кирпичиков», из которых строится молекула белка), что нарушает их функции.
Восстать из радиоактивного пепла
Как же бактерии выживают в таких условиях? Повреждения ДНК живых организмов не всегда приводят к плачевным последствиям. В клетках есть специальные механизмы репарации — «ремонта» драгоценной молекулы, например одну из ее цепей можно достроить, «подглядывая» во вторую на том же участке и подбирая нуклеотиды («буквы» генетического кода) по принципу комплементарности, то есть подставляя на место отсутствующего фрагмента парные ему «буквы».
ДНК Deinococcus radiodurans упакована в две кольцевые хромосомы и две плазмиды — сравнительно маленькие дополнительные кольцевые молекулы ДНК. Каждая такая молекула представлена в количестве от четырех до десяти копий в любой момент жизни клетки, поэтому запасных вариантов для «сверки» у нее всегда много (а не всего две, как у нас в соматических клетках). Более того, оказалось, что основная опасность для жизни дейнококка — это не повреждение ДНК (которую можно починить, используя дополнительные копии), а как раз разрушение структуры белков, занимающихся ее ремонтом.
Для «починки» разрывов в ДНК бактерия имеет дополнительные белки: одни связываются с одиночной цепью ДНК при разрыве, чтобы защитить ее от дальнейших повреждений, другие, работая как «клеточная полиция», ловят «возмутителей спокойствия», свободные радикалы, и расщепляют их.
Кроме того, у всех бактерий есть дополнительные «хитрости», позволяющие вносить корректуры прямо в ходе транскрипции — считывания «ДНК-текстов». Однако есть ли какие-то особенности этого процесса у Deinococcus radiodurans, до последнего времени было неизвестно.
Один из механизмов, который основан на работе белков Gfh и может играть роль в процессах «ремонта» ДНК и защите клеток от радиации, и был исследован российскими учеными из ИМГ РАН. «Двое из трех соавторов, включая меня самого, работают также на кафедре молекулярной биологии Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, — сообщает Андрей Кульбачинский. — Исследования были выполнены исключительно за счет гранта РНФ, темой которого является изучение механизмов регуляции транскрипции и их возможной роли в радиоустойчивости Deinococcus radiodurans».
Хитрости редактуры
РНК-полимераза считывает информацию с ДНК, переводя ее в РНК — более короткую молекулу, которая в зависимости от последовательности будет служить матрицей для синтеза белка или выполнять еще множество функций в клетке. РНК-полимераза является также корректором или даже «главным редактором», исправляющим ошибки этого «перевода» (транскрипции).
Ведущий автор работы рассказал, какую роль в этом процессе могут играть изученные командой российских исследователей белки Gfh-факторы. Эти белки были обнаружены только у экстремофильных (живущих в неблагоприятных, с нашей точки зрения, условиях — при высоких температурах, давлении и др.) бактерий из группы Deinococcus-Thermus, которые очень устойчивы к нагреванию и другим стрессовым воздействиям.
«РНК-полимераза — один из самых консервативных ферментов в эволюции, и структура его во многом похожа и у бактерий, и у человека. В то же время различные организмы используют самые разнообразные способы регуляции работы этого фермента.
Одной из наиболее интересных групп регуляторных факторов являются белки, которые способны напрямую воздействовать на активный центр РНК-полимеразы. Для этого они связываются в специальном канале, который соединяет поверхность РНК-полимеразы с активным центром (так называемый вторичный канал — в отличие от первичного, в котором происходит связывание ДНК и РНК)», — рассказывает Андрей Кульбачинский.
По словам ученого, у большинства бактерий встречаются Gre-белки, относящиеся к этой группе. Они могут переключать активность РНК-полимеразы, в результате чего уже «прочитанный» фрагмент (транскрипт) расщепляется. Это свойство позволяет исправлять уже сделанные в ходе транскрипции ошибки. После такой «редактуры» РНК может синтезироваться дальше. У эукариот (в том числе у человека) тоже существуют аналоги таких белков, только эволюционное происхождение они имеют иное. Это говорит об исключительной важности такого процесса.
«Исследованные нами факторы — Gfh-белки — являются родственниками (гомологами) Gre-факторов. Однако вместо того, чтобы переключать активности РНК-полимеразы, они ее ингибируют! Причем у той бактерии, которую мы исследуем (Deinococcus radiodurans), это происходит только в определенных участках генома и только в присутствии ионов марганца, которые, как уже довольно давно известно, играют роль в защите клеток дейнококка от окислительного стресса», — сообщает ученый.
Перспективы: помогут ли Gfh-факторы «бороться с бактериями их же оружием»?
Исследователи сделали предположение, что Gfh-белки могут «фиксировать» РНК-полимеразу в определенном структурном состоянии, останавливая ее ход по молекуле ДНК. Такую «замершую над ошибкой» РНК-полимеразу узнают другие белки — факторы репарации («починки») и репликации (воспроизведения) ДНК. Дальнейшей задачей ученых станет исследование роли Gfh-белков в защите дейнококков от радиации.
«Наша работа носит прежде всего фундаментальный характер: впервые обнаружено, что регуляторные факторы способны значительно усиливать паузы и терминацию (остановку. — «Газета.Ru») транскрипции, связываясь во вторичном канале РНК-полимеразы. Так как строение РНК-полимеразы очень консервативно, весьма вероятно, что данный способ регуляции может действовать у самых разных организмов (например, и у нас с вами), только с участием других регуляторных факторов», — комментирует Андрей Кульбачинский.
Автор добавляет, что возможно и практическое применение результатов исследования. Так как Gfh-факторы фиксируют РНК-полимеразу и останавливают транскрипцию, то, изучив их, можно создать или найти другие молекулы, способные помешать бактериям переписывать информацию с ДНК на РНК и синтезировать белки. РНК-полимераза медленно изменяется с течением времени, поэтому у бактерий она очень похожа и ее удобно использовать как мишень для антибактериальных препаратов. Так, антибиотик рифампицин, используемый в борьбе с палочкой Коха, вызывающей туберкулез, подавляет именно РНК-полимеразу бактерий (правда, со временем они вырабатывают к нему устойчивость, что делает получение новых антибиотиков важнейшей проблемой ближайшего будущего).
Аэробные и анаэробные бактерии — что это такое
Еще не так давно слово «бактерия» ассоциировалось у большинства людей с чем-то вредным и весьма опасным. Однако в последнее время эти микроорганизмы все чаще используются в качестве помощников в различных сферах жизни. Наиболее востребованными микробы являются в переработке отходов жизнедеятельности, избавляя от многих проблем и неприятностей, не нанося при этом вреда ни человеку, ни окружающей среде.
Аэробные бактерии — как работают?
Что это, и как оно работает? Купить биопрепарат, содержащий бактерии-помощники, можно в жидком, в сухом виде (в порошке или гранулах), а также в форме кассет или таблеток. В этих смесях бактерии находятся в «спячке» и активизируются, попав в питательную дружелюбную аэробную среду.
В состав подобных препаратов входят аэробные бактерии (нуждающиеся в кислороде для жизни и размножения), анаэробные также известные как бескислородные бактерии (вместо кислорода потребляют углерод, образующийся при разложении органики), ферменты (работают в качестве катализаторов) и энзимы.
Вносить биологические препараты необходимо в строго определенном количестве, в зависимости от объемов очищаемого резервуара, при этом колония полезных бактерий должна быть больше сообщества опасных.
Аэробным бактериям критически важен кислород, анаэробным — необязательно, а некоторым анаэробным микробам диоксид даже смертельно вреден, т.к. они питаются углекислым газом. Кстати, анаэробные бактерии бывают 2 видов:
- факультативные (условные) – могут жить без кислорода, но последний способствует ускоренному развитию анаэробов;
- облигатные (обязательные) – кислород губителен для таких бактерий.
Вот и все отличие.
Чтобы не было проблем с канализацией
Незаменимую помощь могут оказать аэробные или анаэробные бактерии на дачных участках и загородных домах без центральной канализации. Добавленные в выгребную яму бактерии уже через несколько дней полностью устраняют неприятный запах. Исчезнут и насекомые – постоянные спутники уличных туалетов. Кроме того, само содержимое ямы значительно уменьшится в объеме и превратиться из проблемы в пользу – станет удобрением.
Раньше для устранения запаха некоторые использовали хлорную известь (хлорку). Однако эффект от ее применения был довольно сомнительным. Вместо одного запаха на участке появлялся другой, не менее неприятный – резкий, въедливый запах хлорки.
Кроме того, после использования этого препарата долгое время ничего на месте туалета и рядом с ним не растет, даже сорные травы. Да и естественный процесс разложения отходов жизнедеятельности значительно замедлялся или даже вовсе прекращался.
Видео о том, как работает автономная канализация с бактериями
При добавлении же биологических препаратов всех этих неприятных последствий просто нет. Помимо этого, благодаря работе бактерий, реже возникает необходимость откачивать отходы, быстрее обеззараживают отходы, не разрушая при этом ни бетонные, ни пластиковые покрытия и стены, и не раздражая слизистые и кожные покровы человека. Эффективно применяется аэробная и анаэробная флора и при засорах в канализации, при необходимости быстрого начала очистительного процесса после долгого перерыва, при активном использовании канализационной системы, для очистки отстойника (септика) индивидуальной системы канализации и т.д.
Как сохранить бактерии от гибели?
Существуют правила, соблюдение которых позволит продлить жизнь бактерий в канализации:
- Регулярно пользоваться септиком (помните, микробы тоже нуждаются в пище).
- В случае длительного отсутствия требуется консервация автономной канализации (к примеру, на зиму).
- Избегать моющих средств, в составе которых есть щелочи, формальдегиды, фенол, кислоты и хлор.
- Бережно относиться к канализации: не засорять жесткой бумагой, мусором, очистками, прокладками и т.д. Что нельзя сбрасывать в автономную канализацию, читайте в нашей статье.
Ускоренное созревание компоста
О пользе хорошего компоста знают все дачники и садоводы. Однако для созревания хорошего удобрения в обычных условиях требуется несколько лет. И здесь снова приходят на помощь бактерии, значительно ускоряющие этот процесс.
При добавлении в компостную кучу биологических ускорителей, туда можно складывать практически любые отходы (органические), при этом не измельчая их. Главными аэробными условиями ускорения процесса является чередование садовых и кухонных отходов и постоянный доступ кислорода. Подобное компостирование помогает в несколько раз сократить время на подготовку удобрения и облегчить работу огороднику (нет необходимости мелко нарезать отходы и сооружать несколько компостных куч).
Уход за водоемами
Еще одним вариантом использования анаэробных или аэробных микробов является очистка водоемов, в частности садовых прудов. В отличие от больших естественных водоемов, где биологическое равновесие может восстанавливаться само собой, небольшие пруды на садовых участках требуют тщательного ухода. Переизбыток органических веществ в воде быстро приводит к ее помутнению и затхлости. И того, и другого можно избежать, если добавить в пруд препарат с микроорганизмами.
В результате, сначала специальный реагент собирает загрязняющие вещества хлопьями, которые оседают на дно. А здесь за них уже принимаются бактерии, содержащиеся все в том же препарате, которые разлагают органику. При этом на зиму бактерии-чистильщики «уходят в спячку», а весной вновь начинают свою работу.
Все эти препараты абсолютно безвредны для человека и всех обитателей пруда. Главное, о чем необходимо помнить, что наиболее эффективно микроорганизмы будут работать только в закрытых водоемах (нет поступлений и выхода воды).
Очистка колодцев и траншей для сточных вод
Рано или поздно, но любой колодец, в котором собираются сточные воды, загрязняется, покрывается илом. Очистить его также помогут микробиологические препараты (те же бактерии аэробы). Конечно совсем избежать заиливания не удастся, но срок службы колодца может увеличиться в разы.
Какие бактерии используются в наших канализациях
Во всех наших станциях используются только аэробные (живые и естественные природные бактерии). Точнеебудет сказать, что они сами появляются и размножаются в автономных системах канализаций, так как в них постоянно подаётся кислород.
Наука: Наука и техника: Lenta.ru
Японские ученые впервые выделили организм, который может быть предком всей сложной жизни на Земле. Он относится к специфической группе архей, названных асгардцами и объединяющих в себе признаки бактерий и многоклеточных. «Лента.ру» рассказывает об исследовании, опубликованном в репозитории препринтов bioRxiv.
В 2010 году ученые провели анализ экологической ДНК (то есть ДНК, содержащейся в окружающей среде) в образцах отложений, поднятых со дна Атлантического океана. Они обнаружили следы ранее неизвестного организма, относящегося к археям — одноклеточным существам, которые считались родственниками бактерий, но сейчас составляют отдельный домен живых организмов (наряду с бактериями и эукариотами). Одной из самых примечательных особенностей новой археи стало то, что ее геном обладал некоторыми признаками, связывающими организм с эукариотами.
Новая архея получила свое название — Lokiarchaeota — в честь подводной гидротермальной системы «Замок Локи», рядом с которой на глубине 2,35 километра была найдена ДНК организма. Из-за необычных свойств нового существа у исследователей появились обоснованные сомнения насчет того, не были ли образцы загрязнены посторонними примесями. 32 процента белков, которые кодировала ДНК того организма, не были известны науке на тот момент; 29 процентов соответствовали бактериальным белкам, а 3,3 процента — эукариотическим. Сам организм выделен не был, поэтому ученые до сих пор не знают, как он выглядит.
Археи приспособлены к экстремальным условиям окружающей среды
Однако в новой научной работе японские исследователи впервые сумели выделить микроорганизм с аналогичными свойствами и вырастить его в лаборатории. Так у биологов в руках оказалось существо, которое может помочь выяснить, какими были самые древние эукариоты — сложно устроенные организмы, обладающие ядром и мембранными органеллами, включая митохондрии и хлоропласты. Этот домен включает человека, животных, растения и водоросли.
У архей, как и у бактерий, отсутствует ядро и мембранные органеллы; они также обладают жгутиком, который помогает им передвигаться. Однако археи имеют свою независимую эволюционную историю. У архей есть клеточная стенка специфичного состава, а также другие особенности, характерные только для них. В то же время Lokiarchaeota не единственная известная архея, обладающая признаками эукариот. Кроме нее, существуют Thorarchaeota, Odinarchaeota и Heimdallarchaeota. Все вместе они объединяются в группу, называемую археями-асгардцами в честь скандинавских богов. Некоторые ученые полагают, что именно асгардцы стояли у истоков зарождения эукариотических организмов.
Одна из самых популярных гипотез зарождения эукариот состоит в том, что промежуточным звеном между ними и прокариотами (то есть бактериями) являются именно археи. Lokiarchaeota в свою очередь является переходной формой между археями и эукариотами. Согласно выводам ученых, археи-асгардцы и сложные одноклеточные разошлись по своим эволюционным путям около двух миллиардов лет назад.
Гидротермальная система «Замок Локи»
Фото: R. B. Pedersen / CGB University of Dergen
В 2006 году японские ученые извлекли образцы отложений с морского дна Нанкайского прогиба на глубине 2533 метра. Поздний анализ, сделанный уже после открытия Lokiarchaeota, выявил присутствие архей-асгардцев. Исследователи культивировали образцы в течение пяти лет внутри биореактора, специально разработанного для поддержания метановой среды на глубине океана. Микроорганизмы размножались очень медленно, однако в конце концов ученым удалось взять образцы архей и поместить их в стеклянные трубки, где содержались питательные вещества. В результате возникла небольшая популяция Lokiarchaeota.
Выведение архей — весьма трудоемкий процесс. Во-первых, само их выявление основано на метагеномном анализе ДНК, то есть изучается генетический материал, полученный при взятии образцов из окружающей среды. Этот способ удобен для определения биоразнообразия без выделения и культивирования конкретных микроорганизмов. Во-вторых, некоторые микробы — и среди них много архей — являются некультивируемыми. Они живут в специфических условиях среды (например, в насыщенных тяжелыми металлами шахтных водах или гидротермальных источниках), которые очень трудно или пока невозможно воспроизвести в лабораторных условиях. Если не удается поддержать требуемые условия, микроорганизмы продолжают жить, но не размножаются.
Популяции бактерий требуется полчаса или час для удвоения, однако у Lokiarchaeota это изначально занимало 20 дней. Потребовалось три месяца для достижения полного роста, при этом фаза роста, при которой организмы лишь приспосабливались к субстрату и температуре, длилась 30-60 дней. В целом эксперимент продлился 12 лет. Исследователи назвали микроб Prometheoarchaeum syntrophicum.
Prometheoarchaeum syntrophicum
Фото: Imachi et al., bioRxiv
Оказалось, что Prometheoarchaeum растет только в присутствии двух других микробов — археи Methanogenium и бактерии Halodesulfovibrio. Когда Prometheoarchaeum усваивает аминокислоты, она производит водород, которым питаются другие микроорганизмы. Если водород остается в окружающей среде, то это может помешать и без того медленному росту археи. Это указывает на то, что прометеоархея симбиотически связана с другими микробами.
Секвенирование ДНК также выявило эукариотические особенности, которые встречаются у других архей-асгардцев. Тем не менее у выделенной археи отсутствуют заметные органеллоподобные структуры. Однако были выявлены необычные детали Prometheoarchaeum: длинные «щупальца», внутри которых находились симбиотические микроорганизмы. Поэтому исследователи предложили новую модель Entangle-Engulf-Enslave («Поймать-Поглотить-Поработить»), согласно которой эукариоты сформировались благодаря симбиозу между археями и альфапротеобактериями — организмами, живущими внутри других клеток.
Ученые предположили, что, когда в земной атмосфере начал повышаться уровень кислорода, архея могла переключиться на симбиотические взаимоотношения с бактериями, которые использовали окислительные реакции в качестве источника энергии. Поглотив своих патеров и включив их в состав собственной клетки, архея повысила свои шансы на выживание. В будущем протеобактерии превратились в митохондрии и хлоропласты.
В то же время следует сохранять осторожность, говоря, что найденный микроорганизм мог являться предком многоклеточных форм жизни (все многоклеточные — эукариоты). Дело в том, что неизвестно, какими были археи миллиарды лет назад, и прометеоархея может сильно от них отличаться. И, несмотря на то что ученые склонны предполагать, что эукариоты произошли именно от архей, пока еще не было найдено окончательного доказательства этой правдоподобной гипотезы.
Строение бактерий — урок. Биология, Бактерии. Грибы. Растения (5–6 класс).
Чаще всего бактерии имеют вид палочек, толщина которых составляет \(0,5\)–\(1\) мкм, а длина — \(2\)–\(3\) мкм. У самых больших бактерии длина достигает \(30\)–\(100\) мкм.
Рис. \(1\). Сенная палочка
(одна из самых крупных бактерий)
Снаружи клетки бактерий покрыты клеточной стенкой, образованной в основном из муреина. Клеточная стенка придаёт клетке бактерии форму, защищает её от внешних воздействий. Через клеточную стенку в бактериальную клетку попадают питательные вещества, а из клетки удаляются продукты обмена.
Рис. \(2\). Строение бактерии
У многих бактерий над клеточной стенкой есть ещё слизистая капсула, которая служит защитой от потери воды.
Бактерии бывают неподвижные и подвижные. У подвижных бактерий имеется один или несколько жгутиков. Жгутик — это тонкая нить, нижняя часть которой закреплена в цитоплазматической мембране. Выступающая из клетки часть длинная, она быстро вращается и приводит клетку бактерии в движение. У других бактерий на поверхности клетки имеются ворсинки.
Под оболочкой в бактериальной клетке находится цитоплазма, в которой содержатся различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества.
Бактерии отличаются от всех клеточных организмов тем, что в их клетках нет оформленного ядра: ядерное вещество (хромосома) располагается в цитоплазме и не отделено от неё оболочкой.
Обрати внимание!
Клетки бактерий называют безъядерными. По этому признаку (и ряду других) бактерии относят к прокариотам (доядерным организмам) и отличают от организмов, имеющих оформленное ядро с ядерной оболочкой, — эукариотов.
Источники:
Рис. 1. Сенная палочка. https://image.shutterstock.com/image-illustration/bacillus-subtilis-600w-41650813Рис. 2. Строение бактерии. © ЯКласс
бактерий | Что такое микробиология?
Бактерии — одноклеточные микробы. Структура клетки проще, чем у других организмов, поскольку в ней нет ядер или органелл, связанных с мембраной. Вместо этого их центр управления, содержащий генетическую информацию, находится в единой петле ДНК. У некоторых бактерий есть дополнительный круг генетического материала, называемый плазмидой. Плазмида часто содержит гены, которые дают бактерии некоторое преимущество перед другими бактериями. Например, он может содержать ген, который делает бактерии устойчивыми к определенному антибиотику.
Бактерии подразделяются на пять групп в соответствии с их основными формами: сферические (кокки), стержневые (бациллы), спиральные (спириллы), запятые (вибрионы) или штопоры (спирохеты). Они могут существовать в виде отдельных ячеек, в парах, цепочках или кластерах.
© ttsz / iStock Различные формы бактерий.Бактерии встречаются во всех средах обитания на Земле: в почве, камнях, океанах и даже в арктическом снегу. Некоторые живут внутри или на других организмах, включая растения и животных, включая людей.В организме человека примерно в 10 раз больше бактериальных клеток, чем клеток человека. Многие из этих бактериальных клеток выстилают пищеварительную систему. Некоторые бактерии живут в почве или на мертвых растениях, где они играют важную роль в круговороте питательных веществ. Некоторые виды вызывают порчу продуктов питания и повреждение урожая, но другие невероятно полезны при производстве ферментированных продуктов, таких как йогурт и соевый соус. Относительно немного бактерий являются паразитами или патогенами, вызывающими болезни у животных и растений.
© Гаэтан Стоффель / iStock Трехмерная иллюстрация Escherichia coliКак размножаются бактерии?
Бактерии размножаются двойным делением. В этом процессе бактерия, представляющая собой единственную клетку, делится на две идентичные дочерние клетки. Бинарное деление начинается, когда ДНК бактерии делится на две части (повторяется). Затем бактериальная клетка удлиняется и разделяется на две дочерние клетки, каждая из которых имеет ДНК, идентичную родительской клетке.Каждая дочерняя клетка является клоном родительской клетки.
При благоприятных условиях, например, при правильной температуре и наличии питательных веществ, некоторые бактерии, такие как Escherichia coli , могут делиться каждые 20 минут. Это означает, что всего за семь часов одна бактерия может произвести 2 097 152 бактерии. Еще через час количество бактерий вырастет до колоссальных 16 777 216 человек. Вот почему мы можем быстро заболеть, когда в наш организм вторгаются патогенные микробы.
Механизм выживания
Некоторые бактерии могут образовывать эндоспоры.Это спящие конструкции, которые чрезвычайно устойчивы к агрессивным физическим и химическим условиям, таким как тепло, УФ-излучение и дезинфицирующие средства. Это очень затрудняет их уничтожение. Многие бактерии, продуцирующие эндоспоры, являются опасными патогенами, например Bacillus anthracis , вызывающая сибирскую язву.
Микробиология сегодня: микобактерии
Организмы, вызывающие туберкулез у людей и животных, Mycobacterium tuberculosis и Mycobacterium bovis , представлены в этом издании Microbiology Today наряду с Mycobacterium leprae , вызывающей проказу, и Mycobacterium ulcerans, вызывающей Язва Бурули.
Строим бактериальные мостики
Часто первое, что приходит на ум, когда мы думаем о микробах в искусственной среде, — это повреждение, разложение, изменение цвета и окрашивание строительных материалов и их поверхностей. То, что мы часто не принимаем во внимание, — это их способность действовать как «биоинженеры».
Объяснение туберкулеза
Туберкулез (ТБ) — изнурительное полиорганное заболевание, вызываемое бактерией Mycobacterium tuberculosis.Самая серьезная форма заболевания — туберкулез легких, инфекция легких и дыхательных путей.
Устойчивость к противомикробным препаратам (УПП)
Угроза устойчивости к противомикробным препаратам (УПП) теперь признана во всем мире, и, по оценкам, 10 миллионов человек в год будут умирать из-за устойчивости к противомикробным препаратам к 2050 году, если не будут приняты срочные меры.
Псевдомонады — друг и враг
Виды рода Pseudomonas являются одними из самых изученных бактерий в научном сообществе.Бактерии этого рода широко используются в качестве модельных организмов в микробных исследованиях и включают ряд важных видов в таких областях, как патогенность растений, биоремедиация и микробиология окружающей среды.
Streptomyces — природное решение УПП
Streptomyces не только играет огромную роль в медицинской и фармацевтической промышленности, но и играет важную экологическую роль; способствует разложению органических веществ и плодородию почвы.
Изображения
Микробиология сегодня : микобактерии. Библиотека научных фотографий.
Строим бактериальные мостики. Б. Реекстинг.
Объяснение туберкулеза. iStock / Dr_Microbe.
Устойчивость к противомикробным препаратам. digicomphoto / Thinkstock.
Псевдомонады — друг и враг. iStock / Dr_Microbe .
Streptomyces — Природное решение УПП. Thinkstock.
Подкасты. Роджер Харрис / Библиотека научных фотографий.
Что такое микробы? — InformedHealth.org
Микробы — это крошечные живые существа, которые встречаются повсюду вокруг нас и слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Они живут в воде, почве и воздухе. Человеческое тело также является домом для миллионов этих микробов, также называемых микроорганизмами.
Некоторые микробы вызывают болезни, другие важны для нашего здоровья.Наиболее распространены бактерии, вирусы и грибки. Также существуют микробы, называемые простейшими. Это крошечные живые существа, вызывающие такие заболевания, как токсоплазмоз и малярия.
Бактерии состоят из одной клетки
Бактерии — одноклеточные организмы. Некоторым бактериям для выживания нужен кислород, а другим — нет. Кто-то любит тепло, а кто-то предпочитает холод. Хорошо известные примеры бактерий включают бактерии сальмонеллы и стафилококки.
Большинство бактерий не опасны для человека.Многие из них даже живут в нашем теле или в нем и помогают нам оставаться здоровыми. Например, молочнокислые бактерии в кишечнике помогают нам переваривать пищу. Другие бактерии помогают иммунной системе, борясь с микробами. Некоторые бактерии также необходимы для производства определенных продуктов, например йогурта, квашеной капусты или сыра.
Менее 1% всех бактерий ответственны за заболевания — но это лишь приблизительная оценка, поскольку точных цифр нет. Например, туберкулез вызывается бактериями.Бактериальные инфекции можно лечить антибиотиками. Это лекарства, которые убивают бактерии или, по крайней мере, не дают им размножаться.
Многие другие инфекции, включая диарею, простуду или тонзиллит, также могут быть вызваны бактериями, но обычно за них ответственны вирусы. Антибиотики не эффективны против вирусов. Поэтому не рекомендуется начинать их использовать слишком рано, если есть только подозрения, что бактерии вызывают инфекцию.
Вирусы вторгаются в здоровые клетки и вызывают болезни
В отличие от бактерий, вирусы не имеют собственных клеток.Это означает, что они, строго говоря, не живые организмы. Вместо этого они состоят из одной или нескольких молекул, окруженных белковой оболочкой. Генетическая информация, находящаяся внутри этой оболочки, необходима для размножения вирусов.
Многие вирусы вызывают заболевания. Некоторые из них безвредны и вызывают лишь небольшую простуду, в то время как другие могут вызвать серьезные заболевания, такие как СПИД. Другие заболевания, вызываемые вирусами, включают грипп («грипп»), корь или воспаление печени (вирусный гепатит).
Вирусы проникают в здоровые клетки и начинают размножаться из этих клеток. Вирус не может воспроизводиться без этих клеток-хозяев. Не все вирусы вызывают симптомы, и во многих случаях организм успешно сопротивляется злоумышленникам. Это случай с герпесом, который многие люди когда-либо испытывали. Они вызываются вирусами, обнаруженными в определенных нервных клетках, и могут привести к образованию типичных волдырей у некоторых людей, если их иммунная система ослаблена или истощена.
С вирусами бороться с помощью лекарств относительно сложно.Для защиты от некоторых вирусов иммунную систему можно «обучить» вакцинацией, чтобы организм был лучше подготовлен к борьбе с вирусом.
Грибы широко распространены
Грибы могут жить в самых разных средах. Самые известные грибы включают дрожжи, плесень и съедобные грибы, такие как грибы. Как и бактерии, некоторые грибки естественным образом возникают на коже или в теле. Но грибки тоже могут вызывать болезни.
Заболевания, вызываемые грибами, называются микозами. Распространенные примеры включают микоз стопы или грибковые инфекции ногтей.Грибковые инфекции также могут иногда вызывать воспаления легких или слизистых оболочек ротовой полости или репродуктивных органов и становиться опасными для жизни людей с ослабленной иммунной системой.
Но люди также извлекли пользу из полезных свойств некоторых грибов. Открытием пенициллина мы обязаны плесени, которая используется для производства этого антибиотика.
Источники
Андреа С., Авелини П., Берг М., Бланк И., Бурк А. Lexikon der Krankheiten und Untersuchungen.Штутгарт: Тиме; 2008.
Каспер Д.Л., Фаучи А.С., Хаузер С.Л., Лонго Д.Л., Джеймсон Дж.Л., Лоскальцо Дж. Харрисон Принципы внутренней медицины. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл; 2015.
Пшырембель. Klinisches Wörterbuch. Берлин: Де Грюйтер; 2017.
Информация о здоровье IQWiG написана с целью помочь люди понимают преимущества и недостатки основных вариантов лечения и здоровья услуги по уходу.
Поскольку IQWiG — немецкий институт, некоторая информация, представленная здесь, относится к Немецкая система здравоохранения.Пригодность любого из описанных вариантов в индивидуальном случай можно определить, посоветовавшись с врачом. Мы не предлагаем индивидуальных консультаций.
Наша информация основана на результатах качественных исследований. Это написано команда медицинские работники, ученые и редакторы, а также рецензируются внешними экспертами. Вы можете найти подробное описание того, как наша информация о здоровье создается и обновляется в наши методы.
Чем бактерии отличаются от эукариот? | BMC Biology
Langer D, Hain J, Thuriaux P, Zillig W: Транскрипция в архее: сходство с таковой у эукарии. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1995, 92: 5768-5772. 10.1073 / pnas.92.13.5768.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Вёзе С. Р., Фокс Г. Е.: Филогенетическая структура прокариотического домена: первичные царства. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1977, 74: 5088-5090. 10.1073 / pnas.74.11.5088.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Fuerst JA, Webb RI: Мембранно-связанный нуклеоид в эубактерии Gemmata obscuriglobus . Proc Natl Acad Sci U S. A. 1991, 88: 8184-8188. 10.1073 / pnas.88.18.8184.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Santarella-Mellwig R, Pruggnaller S, Roos N, Mattaj IW, Devos DP: Трехмерная реконструкция бактерий со сложной эндомембранной системой. PLoS Biol. 2013, 11: e1001565-10.1371 / journal.pbio.1001565.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Комейли А., Ли З., Ньюман Д. К., Дженсен Дж. Дж.: Магнитосомы — это инвагинации клеточной мембраны, организованные актин-подобным белком MamK. Наука. 2006, 311: 242-245. 10.1126 / science.1123231.
CAS PubMed Google ученый
Нево Р., Чаруви Д., Шимони Э., Шварц Р., Каплан А., Охад И., Райх З .: Перфорация тилакоидной мембраны и возможность соединения обеспечивают внутриклеточный трафик цианобактерий.EMBO J. 2007, 26: 1467-1473. 10.1038 / sj.emboj.7601594.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Raven PH: множественное происхождение пластид и митохондрий. Наука. 1970, 169: 641-646. 10.1126 / science.169.3946.641.
CAS PubMed Google ученый
Смит М.Л., Брюн Дж. Н., Андерсон Дж. Б.: Грибок Armillaria bulbosa — один из самых крупных и древних живых организмов.Природа. 1992, 356: 428-431. 10.1038 / 356428a0.
Google ученый
Лопес Д., Вламакис Х., Кольтер Р.: Биопленки. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2010, 2: a000398-
PubMed Central PubMed Google ученый
Доемель В.Н., Брок Т.Д .: Бактериальные строматолиты: происхождение слоистых пластов. Наука. 1974, 184: 1083-1085. 10.1126 / science.184.4141.1083.
CAS PubMed Google ученый
Reid RP, Visscher PT, Decho AW, Stolz JF, Bebout BM, Dupraz C, Macintyre IG, Paerl HW, Pinckney JL, Prufert-Bebout L, Steppe TF, DesMarais DJ: роль микробов в аккреции, ламинировании и ранней литификации современных морских строматолитов. Природа. 2000, 406: 989-992. 10.1038 / 35023158.
CAS PubMed Google ученый
Sheehan PM, Harris MT: Возрождение микробиалита после вымирания в позднем ордовике. Природа.2004, 430: 75-78. 10.1038 / природа02654.
CAS PubMed Google ученый
Консорциум TEP: интегрированная энциклопедия элементов ДНК в геноме человека. Природа. 2012, 489: 57-74. 10.1038 / природа11247.
Google ученый
Дулиттл У. Ф .: Мусорная ДНК — ерунда? Критика ENCODE. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2013, 110: 5294-5300. 10.1073 / pnas.1221376110.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Кавалье-Смит Т. Контроль ядерного объема с помощью нуклеоскелетной ДНК, отбор по объему и скорости роста клеток и решение парадокса С-значения ДНК. J Cell Sci. 1978, 34: 247-278.
CAS PubMed Google ученый
Marshall WF, Young KD, Swaffer M, Wood E, Nurse P, Kimura A, Frankel J, Wallingford J, Walbot V, Qu X, Roeder AHK: Что определяет размер ячейки ?.BMC Biol. 2012, 10: 101-10.1186 / 1741-7007-10-101.
PubMed Central PubMed Google ученый
Шульц Х.Н., Бринхофф Т., Фердельман Т.Г., Марине М.Х., Теске А., Йоргенсен Б.Б.: Густые популяции гигантских серных бактерий в отложениях шельфа Намибии. Наука. 1999, 284: 493-495. 10.1126 / science.284.5413.493.
CAS PubMed Google ученый
Фоли Е.А., Капур TM: Прикрепление микротрубочек и передача сигналов контрольной точки сборки веретена на кинетохоре.Nat Rev Mol Cell Biol. 2013, 14: 25-37.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Fogel MA, Waldor MK: Отчетливая динамика сегрегации двух хромосом Vibrio cholerae . Mol Microbiol. 2005, 55: 125-136.
CAS PubMed Google ученый
Мурен О.Л., Галлетта Б.Дж., Купер Дж.А.: Роли сборки актина в эндоцитозе.Анну Рев Биохим. 2012, 81: 661-686. 10.1146 / annurev-biochem-060910-094416.
CAS PubMed Google ученый
Брайант Д.М., Мостов К.Е .: От клеток к органам: построение поляризованной ткани. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008, 9: 887-901.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Дикинсон Д. Д., Нельсон В. Дж., Вайс В. И.: Поляризованный эпителий, организованный β- и α-катенином, предшествовал происхождению кадгерина и многоклеточных животных.Наука. 2011, 331: 1336-1339. 10.1126 / science.1199633.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Nishii I, Ogihara S: Для инверсии эмбриона Volvox требуется актомиозиновое сокращение заднего полушария. Dev Camb Engl. 1999, 126: 2117-2127.
CAS Google ученый
Bi EF, Lutkenhaus J: Кольцевая структура FtsZ, связанная с делением в Escherichia coli .Природа. 1991, 354: 161-164. 10.1038 / 354161a0.
CAS PubMed Google ученый
Mukherjee A, Dai K, Lutkenhaus J: Escherichia coli белок деления клеток FtsZ представляет собой белок, связывающий гуанин-нуклеотид. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1993, 90: 1053-1057. 10.1073 / pnas.90.3.1053.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Mukherjee A, Lutkenhaus J: Гуанин-нуклеотид-зависимая сборка FtsZ в филаменты.J Bacteriol. 1994, 176: 2754-2758.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Ногалес Э., Вольф С.Г., Даунинг К.Х.: Структура димера альфа-бета тубулина с помощью электронной кристаллографии. Природа. 1998, 391: 199-203. 10.1038 / 34465.
CAS PubMed Google ученый
Лёве Дж, Амос Л.А.: Кристаллическая структура белка деления бактериальных клеток FtsZ.Природа. 1998, 391: 203-206. 10.1038 / 34472.
PubMed Google ученый
Джонс Л.Дж., Карбаллидо-Лопес Р., Эррингтон Дж .: Контроль формы клеток у бактерий: спиралевидные актин-подобные филаменты в Bacillus subtilis . Клетка. 2001, 104: 913-922. 10.1016 / S0092-8674 (01) 00287-2.
CAS PubMed Google ученый
Van den Ent F, Amos LA, Löwe J: Прокариотическое происхождение актинового цитоскелета.Природа. 2001, 413: 39-44. 10.1038 / 35092500.
CAS PubMed Google ученый
Møller-Jensen J, Jensen RB, Löwe J, Gerdes K: Прокариотическая сегрегация ДНК актин-подобным филаментом. EMBO J. 2002, 21: 3119-3127. 10.1093 / emboj / cdf320.
PubMed Central PubMed Google ученый
Derman AI, Becker EC, Truong BD, Fujioka A, Tucey TM, Erb ML, Patterson PC, Pogliano J: Филогенетический анализ идентифицирует многие не охарактеризованные актиноподобные белки (Alps) у бактерий: регулируемая полимеризация, динамическая нестабильность и беговая дорожка в Alp7A.Mol Microbiol. 2009, 73: 534-552. 10.1111 / j.1365-2958.2009.06771.x.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Erb ML, Pogliano J: Цитоскелетные белки участвуют в консервативных вирусных стратегиях во всех царствах жизни. Curr Opin Microbiol. 2013, 16: 786-789. 10.1016 / j.mib.2013.08.007.
CAS PubMed Google ученый
Ausmees N, Kuhn JR, Jacobs-Wagner C: Бактериальный цитоскелет: промежуточная филаментоподобная функция в форме клетки.Клетка. 2003, 115: 705-713. 10.1016 / S0092-8674 (03) 00935-8.
CAS PubMed Google ученый
Mullins RD, Heuser JA, Pollard TD: Взаимодействие комплекса Arp2 / 3 с актином: зародышеобразование, высокоаффинное заостренное концевое кэпирование и образование разветвленных сетей филаментов. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1998, 95: 6181-6186. 10.1073 / pnas.95.11.6181.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Робинсон Р.К., Турбедски К., Кайзер Д.А., Маршанд Дж. Б., Хиггс Н. Н., Чо С., Поллард Т. Д.: Кристаллическая структура комплекса Arp2 / 3. Наука. 2001, 294: 1679-1684. 10.1126 / science.1066333.
CAS PubMed Google ученый
Volkmann N, Amann KJ, Stoilova-McPhie S, Egile C, Winter DC, Hazelwood L, Heuser JE, Li R, Pollard TD, Hanein D: Структура комплекса Arp2 / 3 в его активированном состоянии и в соединения ветвей актиновых филаментов.Наука. 2001, 293: 2456-2459. 10.1126 / science.1063025.
CAS PubMed Google ученый
Мориц М., Браунфельд М.Б., Генебо В., Хойзер Дж., Агард Д.А.: Структура кольцевого комплекса гамма-тубулина: матрица для зарождения микротрубочек. Nat Cell Biol. 2000, 2: 365-370. 10.1038 / 35014058.
CAS PubMed Google ученый
Kollman JM, Polka JK, Zelter A, Davis TN, Agard DA: зарождение микротрубочек γ-TuSC собирает структуры с 13-кратной симметрией, подобной микротрубочкам.Природа. 2010, 466: 879-882. 10.1038 / природа09207.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Каваи Й., Асаи К., Эррингтон Дж.: Частичная функциональная избыточность изоформ MreB, MreB, Mbl и MreBH в клеточном морфогенезе Bacillus subtilis . Mol Microbiol. 2009, 73: 719-731. 10.1111 / j.1365-2958.2009.06805.x.
CAS PubMed Google ученый
Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П.: Молекулярная биология клетки. 2008, Нью-Йорк: Garland Science, 5
Google ученый
Kollman JM, Merdes A, Mourey L, Agard DA: зарождение микротрубочек комплексами γ-тубулина. Nat Rev Mol Cell Biol. 2011, 12: 709-721. 10.1038 / nrm3209.
CAS PubMed Google ученый
Muller J, Oma Y, Vallar L, Friederich E, Poch O, Winsor B: Последовательность и сравнительный геномный анализ белков, связанных с актином.Mol Biol Cell. 2005, 16: 5736-5748. 10.1091 / mbc.E05-06-0508.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Stearns T, Evans L, Kirschner M: γ-Тубулин является высококонсервативным компонентом центросомы. Клетка. 1991, 65: 825-836. 10.1016 / 0092-8674 (91)
-К.CAS PubMed Google ученый
Quinlan ME, Heuser JE, Kerkhoff E, Dyche Mullins R: Drosophila Spire является фактором нуклеации актина.Природа. 2005, 433: 382-388. 10.1038 / природа03241.
CAS PubMed Google ученый
Ахуджа Р., Пиньоль Р., Райхенбах Н., Кастер Л., Клингенсмит Дж., Кесселс М.М., Квалманн Б. Кордон-блю является фактором нуклеации актина и контролирует морфологию нейронов. Клетка. 2007, 131: 337-350. 10.1016 / j.cell.2007.08.030.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Джеветт Т.Дж., Фишер Э.Р., Мид Д.Д., Хакштадт Т .: Хламидийный TARP — бактериальный нуклеатор актина. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2006, 103: 15599-15604. 10.1073 / pnas.0603044103.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Tam VC, Serruto D, Dziejman M, Brieher W., Mekalanos JJ: Система секреции типа III у Vibrio cholerae перемещает нуклеатор актина, подобный гибриду формин / спайр, для содействия колонизации кишечника.Клеточный микроб-хозяин. 2007, 1: 95-107. 10.1016 / j.chom.2007.03.005.
CAS PubMed Google ученый
Oosawa F, Kasai M: Теория линейных и спиральных агрегатов макромолекул. J Mol Biol. 1962, 4: 10-21. 10.1016 / S0022-2836 (62) 80112-0.
CAS PubMed Google ученый
Оосава Ф, Асакура С: Термодинамика полимеризации белка.1975, Нью-Йорк: Academic Press
Google ученый
Хилл Т.Л., Киршнер М.В.: Биоэнергетика и кинетика сборки-разборки микротрубочек и актиновых филаментов. Int Rev Cytol. 1982, 78: 1-125.
CAS PubMed Google ученый
Hill TL: Теория линейной агрегации в клеточной биологии. 1987,: Springer-Verlag
Google ученый
Romberg L, Simon M, Erickson HP: Полимеризация FtsZ, бактериального гомолога тубулина. монтажный кооператив ?. J Biol Chem. 2001, 276: 11743-11753. 10.1074 / jbc.M0000.
CAS PubMed Google ученый
Гарнер ЕС, Кэмпбелл С.С., Маллинз Р.Д.: Динамическая нестабильность в ДНК-сегрегационном гомологе прокариотического актина. Наука. 2004, 306: 1021-1025. 10.1126 / science.1101313.
CAS PubMed Google ученый
Бауман П., Джексон С.П .: Архебактериальный гомолог важного белка деления эубактериальных клеток FtsZ. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1996, 93: 6726-6730. 10.1073 / pnas.93.13.6726.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Робен А., Кофлер С., Надь И., Никелл С., Хартл Ф. У., Брахер А. Кристаллическая структура архейного гомолога актина. J Mol Biol. 2006, 358: 145-156. 10.1016 / j.jmb.2006.01.096.
CAS PubMed Google ученый
Адамс М., Догич З., Келлер С.Л., Фраден С. Энтропийные микрофазовые переходы в смесях коллоидных стержней и сфер. Природа. 1998, 393: 349-352. 10.1038 / 30700.
CAS Google ученый
Gayathri P, Fujii T, Møller-Jensen J, van den Ent F, Namba K, Löwe J: Биполярное веретено антипараллельных нитей ParM управляет сегрегацией бактериальной плазмиды. Наука. 2012, 338: 1334-1337. 10.1126 / science.1229091.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Hale CA, Rhee AC, de Boer PA: ZipA-индуцированное связывание полимеров FtsZ, опосредованное взаимодействием между C-концевыми доменами. J Bacteriol. 2000, 182: 5153-5166. 10.1128 / JB.182.18.5153-5166.2000.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Гудселл Д.С., Олсон AJ: Структурная симметрия и функция белка. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 2000, 29: 105-153. 10.1146 / annurev.biophys.29.1.105.
CAS PubMed Google ученый
Crane HR: Принципы и проблемы биологического роста. Sci Mon. 1950, 70: 376-389.
Google ученый
Полинг Л: Взаимодействие с белками. Агрегация глобулярных белков. Обсудите Faraday Soc. 1953, 13: 170-176.
Google ученый
Dykes G, Crepeau RH, Edelstein SJ: Трехмерная реконструкция волокон серповидноклеточного гемоглобина.Природа. 1978, 272: 506-510. 10.1038 / 272506a0.
CAS PubMed Google ученый
Инграм В.М.: Специфическое химическое различие между глобинами нормального человеческого гемоглобина и гемоглобина серповидноклеточной анемии. Природа. 1956, 178: 792-794. 10.1038 / 178792a0.
CAS PubMed Google ученый
Mitchison TJ: Эволюция динамического цитоскелета. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci.1995, 349: 299-304. 10.1098 / rstb.1995.0117.
CAS PubMed Google ученый
Sun Q, Margolin W: динамика FtsZ во время цикла деления живых клеток Escherichia coli. J Bacteriol. 1998, 180: 2050-2056.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Stricker J, Maddox P, Salmon ED, Erickson HP: Быстрая динамика сборки FtsZ-кольца Escherichia coli , продемонстрированная восстановлением флуоресценции после фотообесцвечивания.Proc Natl Acad Sci U S. A. 2002, 99: 3171-3175. 10.1073 / pnas.052595099.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Митчисон Т, Киршнер М: Динамическая нестабильность роста микротрубочек. Природа. 1984, 312: 237-242. 10.1038 / 312237a0.
CAS PubMed Google ученый
Хорио Т, Хотани Х: Визуализация динамической нестабильности отдельных микротрубочек с помощью микроскопии темного поля.Природа. 1986, 321: 605-607. 10.1038 / 321605a0.
CAS PubMed Google ученый
Theriot JA: Двигатель полимеризации. Движение. 2000, 1: 19-28. 10.1034 / j.1600-0854.2000.010104.x.
CAS PubMed Google ученый
Гарнер EC, Кэмпбелл CS, Weibel DB, Mullins RD: Восстановление расщепления ДНК, вызванное сборкой прокариотического гомолога актина.Наука. 2007, 315: 1270-1274. 10.1126 / science.1138527.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Hu Z, Mukherjee A, Pichoff S, Lutkenhaus J: Компонент MinC системы выбора сайта деления в Escherichia coli взаимодействует с FtsZ для предотвращения полимеризации. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1999, 96: 14819-14824. 10.1073 / pnas.96.26.14819.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Lutkenhaus J: Динамика сборки бактериальной системы MinCDE и пространственная регуляция Z-кольца. Анну Рев Биохим. 2007, 76: 539-562. 10.1146 / annurev.biochem.75.103004.142652.
CAS PubMed Google ученый
Раскин Д.М., де Бур П.А.: Быстрые межполюсные колебания белка, необходимые для направления деления к середине Escherichia coli . Proc Natl Acad Sci U S. A. 1999, 96: 4971-4976. 10.1073 / пнас.96.9.4971.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Loose M, Fischer-Friedrich E, Ries J, Kruse K, Schwille P: Пространственные регуляторы для деления бактериальных клеток, самоорганизующиеся в поверхностные волны in vitro. Наука. 2008, 320: 789-792. 10.1126 / science.1154413.
CAS PubMed Google ученый
Holy TE, Dogterom M, Yurke B, Leibler S: Сборка и размещение звездочек микротрубочек в камерах микротрубочки.Proc Natl Acad Sci U S. A. 1997, 94: 6228-6231. 10.1073 / pnas.94.12.6228.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Догтером М., Юрке Б. Измерение соотношения силы и скорости для растущих микротрубочек. Наука. 1997, 278: 856-860. 10.1126 / science.278.5339.856.
CAS PubMed Google ученый
Тран П.Т., Марш Л., Дой В., Иноуэ С., Чанг Ф .: Механизм ядерного позиционирования у делящихся дрожжей, основанный на толкании микротрубочек.J Cell Biol. 2001, 153: 397-411. 10.1083 / jcb.153.2.397.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Nédélec FJ, Surrey T, Maggs AC, Leibler S: Самоорганизация микротрубочек и двигателей. Природа. 1997, 389: 305-308. 10.1038 / 38532.
PubMed Google ученый
Дрю KRP, Pogliano J: Механизм центрирования / разделения бактерий, обусловленный динамической нестабильностью.Proc Natl Acad Sci U S. A. 2011, 108: 11075-11080. 10.1073 / pnas.1018724108.
CAS PubMed Google ученый
Kraemer JA, Erb ML, Waddling CA, Montabana EA, Zehr EA, Wang H, Nguyen K, Pham DSL, Agard DA, Pogliano J: фаговый тубулин с помощью атипичного механизма собирает динамические волокна для центрирования вирусной ДНК внутри клетки-хозяина. Клетка. 2012, 149: 1488-1499. 10.1016 / j.cell.2012.04.034.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Ebersbach G, Ringgaard S, Møller-Jensen J, Wang Q, Sherratt DJ, Gerdes K: Регулярное клеточное распределение плазмид за счет колебания и формирования филаментов ParA-АТФазы плазмиды pB171. Mol Microbiol. 2006, 61: 1428-1442. 10.1111 / j.1365-2958.2006.05322.x.
CAS PubMed Google ученый
Миллер К.Г., Филд К.М., Альбертс Б.М.: Актин-связывающие белки из эмбрионов дрозофилы : сложная сеть взаимодействующих белков, обнаруженная с помощью аффинной хроматографии с F-актином.J Cell Biol. 1989, 109: 2963-2975. 10.1083 / jcb.109.6.2963.
CAS PubMed Google ученый
Kellogg DR, Field CM, Alberts BM: Идентификация белков, связанных с микротрубочками, в центросоме, веретене и кинетохоре раннего эмбриона дрозофилы . J Cell Biol. 1989, 109: 2977-2991. 10.1083 / jcb.109.6.2977.
CAS PubMed Google ученый
Sowa Y, Berry RM: Жгутиковый мотор бактерий. Q Rev Biophys. 2008, 41: 103-132.
CAS PubMed Google ученый
Паллен М.Дж., Мацке, штат Нью-Джерси: От происхождения видов до происхождения бактериальных жгутиков. Nat Rev Microbiol. 2006, 4: 784-790. 10.1038 / nrmicro1493.
CAS PubMed Google ученый
Чен С., Биби М., Мерфи Дж. Р., Лидбеттер Дж. Р., Хендриксон Д. Р., Бригель А., Ли З, Ши Дж., Точева Е. И., Мюллер А., Добро М. Дж., Дженсен Дж. Дж .: Структурное разнообразие бактериальных жгутиковых двигателей.EMBO J. 2011, 30: 2972-2981. 10.1038 / emboj.2011.186.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Вэйл Р.Д., Миллиган Р.А.: То, как все движется: заглядывать под капот молекулярных моторных белков. Наука. 2000, 288: 88-95. 10.1126 / science.288.5463.88.
CAS PubMed Google ученый
Махадеван Л., Мацудаира П. Подвижность приводится в движение супрамолекулярными пружинами и храповиками.Наука. 2000, 288: 95-100. 10.1126 / science.288.5463.95.
CAS PubMed Google ученый
Вольгемут С, Хойчик Э, Кайзер Д., Остер Дж .: Как миксобактерии скользят. Curr Biol CB. 2002, 12: 369-377. 10.1016 / S0960-9822 (02) 00716-9.
CAS PubMed Google ученый
Реймент И., Рипневски В.Р., Шмидт-Безе К., Смит Р., Томчик Д.Р., Беннинг М.М., Винкельманн Д.А., Везенберг Г., Холден Х.М.: Трехмерная структура субфрагмента-1 миозина: молекулярный мотор.Наука. 1993, 261: 50-58. 10.1126 / science.8316857.
CAS PubMed Google ученый
Kull FJ, Sablin EP, Lau R, Fletterick RJ, Vale RD: Кристаллическая структура моторного домена кинезина обнаруживает структурное сходство с миозином. Природа. 1996, 380: 550-555. 10.1038 / 380550a0.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Кулл Ф.Дж., Вейл Р.Д., Флеттерик Р.Дж.: Случай общего предка: моторные белки кинезина и миозина и G-белки.J Muscle Res Cell Motil. 1998, 19: 877-886. 10.1023 / А: 10054891.
CAS PubMed Google ученый
Ховард Дж .: Молекулярные двигатели: структурные адаптации к клеточным функциям. Природа. 1997, 389: 561-567. 10.1038 / 39247.
CAS PubMed Google ученый
Wells AL, Lin AW, Chen LQ, Safer D, Cain SM, Hasson T, Carragher BO, Milligan RA, Sweeney HL: Миозин VI — это мотор на основе актина, который движется назад.Природа. 1999, 401: 505-508. 10.1038 / 46835.
CAS PubMed Google ученый
Брайант З., Альтман Д., Спудич Дж. А.: Силовой ход миозина VI и основы обратной направленности. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2007, 104: 772-777. 10.1073 / pnas.0610144104.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Leipe DD, Wolf YI, Koonin EV, Aravind L: Классификация и эволюция GTPases P-петли и родственных ATPases.J Mol Biol. 2002, 317: 41-72. 10.1006 / jmbi.2001.5378.
CAS PubMed Google ученый
Tapon N, Hall A: Rho, Rac и Cdc42 GTPases регулируют организацию актинового цитоскелета. Curr Opin Cell Biol. 1997, 9: 86-92. 10.1016 / S0955-0674 (97) 80156-1.
CAS PubMed Google ученый
Пфеффер SR: Rab GTPase регуляция идентичности мембран.Curr Opin Cell Biol. 2013, 25: 414-419. 10.1016 / j.ceb.2013.04.002.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Гиллингем А.К., Манро С .: Малые G-белки семейства Arf и их регуляторы. Annu Rev Cell Dev Biol. 2007, 23: 579-611. 10.1146 / annurev.cellbio.23.0
CAS PubMed Google ученый
Стюарт М: Молекулярный механизм цикла импорта ядерного белка.Nat Rev Mol Cell Biol. 2007, 8: 195-208. 10.1038 / nrm2114.
CAS PubMed Google ученый
Страйер Л., Борн HR: G белки: семейство сигнальных преобразователей. Annu Rev Cell Biol. 1986, 2: 391-419. 10.1146 / annurev.cb.02.110186.002135.
CAS PubMed Google ученый
Капра Э. Дж., Лауб М. Т.: Эволюция двухкомпонентных систем передачи сигналов.Annu Rev Microbiol. 2012, 66: 325-347. 10.1146 / annurev-micro-092611-150039.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Феррейра К.Н., Иверсон Т.М., Маглауи К., Барбер Дж., Ивата С. Архитектура фотосинтетического центра выделения кислорода. Наука. 2004, 303: 1831-1838. 10.1126 / science.1093087.
CAS PubMed Google ученый
Виоллиер PH, Танбихлер М., МакГрат П.Т., Вест Л., Миван М., МакАдамс Г.Х., Шапиро Л.: Быстрое и последовательное перемещение отдельных хромосомных локусов в определенные субклеточные места во время репликации бактериальной ДНК.Proc Natl Acad Sci U S. A. 2004, 101: 9257-9262. 10.1073 / pnas.0402606101.
PubMed Central CAS PubMed Google ученый
Нильсен Х. Дж., Оттесен Дж. Р., Янгрен Б., Остин С. Дж., Хансен Ф. Г.: Хромосома Escherichia coli организована с левым и правым плечами в отдельных половинах клеток. Mol Microbiol. 2006, 62: 331-338. 10.1111 / j.1365-2958.2006.05346.x.
CAS PubMed Google ученый
Монтеро Ллопис П., Джексон А.Ф., Слюсаренко О., Суровцев И., Хейнриц Дж., Эмонет Т., Якобс-Вагнер К. Пространственная организация потока генетической информации в бактериях. Природа. 2010, 466: 77-81. 10.1038 / природа09152.
PubMed Google ученый
Киршнер М: За пределами Дарвина: возможность развития и создание новизны. BMC Biol. 2013, 11: 110-10.1186 / 1741-7007-11-110.
PubMed Central PubMed Google ученый
Киршнер М., Митчисон Т: За пределами самосборки: от микротрубочек к морфогенезу. Клетка. 1986, 45: 329-342. 10.1016 / 0092-8674 (86)
-1.CAS PubMed Google ученый
Ричардс Т.А., Кавалье-Смит Т. Эволюция миозиновых доменов и первичная дивергенция эукариот. Природа. 2005, 436: 1113-1118. 10.1038 / природа03949.
CAS PubMed Google ученый
Wickstead B, Gull K, Richards TA: Паттерны эволюции кинезина показывают сложный предковый эукариот с многофункциональным цитоскелетом. BMC Evol Biol. 2010, 10: 110-10.1186 / 1471-2148-10-110.
PubMed Central PubMed Google ученый
Fritz-Laylin LK, Prochnik SE, Ginger ML, Dacks JB, Carpenter ML, Field MC, Kuo A, Paredez A, Chapman J, Pham J, Shu S, Neupane R, Cipriano M, Mancuso J, Ту Х., Саламов А., Линдквист Э., Шапиро Х., Лукас С., Григорьев И. В., Канде В. З., Фултон С., Рохсар Д. С., Доусон С. К.: Геном Naegleria gruberi проливает свет на универсальность ранних эукариот.Клетка. 2010, 140: 631-642. 10.1016 / j.cell.2010.01.032.
CAS PubMed Google ученый
Типы микробов — Национальные академии
Типы микробов
Микроорганизмы или микробы, вызывающие заболевания, бывают разных форм. Вирусы и бактерии, вероятно, наиболее известны, потому что мы так много слышим о них. Но грибы, простейшие и гельминты также играют важную роль в истории инфекционных заболеваний.Узнайте больше о каждой из этих пяти основных категорий, а также о недавно открытой: прионы.
Вирусы
Вирусы
Вирусы не могут воспроизводиться до тех пор, пока они не вторгнутся и не захватят живых клеток.
Грипп, корь и простуда — это лишь некоторые из болезней, вызываемых вирусами.Что такое вирус и чем он отличается от других микробов?
Подробнее о вирусах
Бактерии
Бактерии
Бактерии бывают трех форм: сферической, стержневидной и изогнутой.
Бактерии — это одноклеточные организмы, которые существуют миллиарды лет.Откройте для себя их важные характеристики.
Подробнее о бактериях
Другие микробы
Другие микробы
Хлебная плесень и анкилостомы, возбудители инфекции, не являются ни бактериями, ни вирусами.
Вирусы и бактерии могут быть наиболее узнаваемыми микробами, вызывающими инфекционное заболевание.Но есть несколько других разновидностей. Узнайте о них здесь.
Подробнее о других микробах
Что считается микробом?
Микробы были названы так потому, что считалось, что их можно увидеть только с помощью микроскопа. Тем не менее, с чисто дефиниционной точки зрения, многие грибы являются исключением из этого правила, как и бактерии Epulopiscium . Другой парадокс заключается в том, что микробами считаются как вирус, ширина которого составляет 1/4000 ширины пряди волос, так и четко видимая хлебная плесень.К грибам также относятся такие виды, как медовый гриб, который является крупнейшим живым существом на Земле в силу своих обширных подземных нитевидных сетей, которые могут простираться на многие мили. Ясно, что существуют большие различия в размерах и образе жизни даже внутри одной и той же микробной группы.Armillaria ostoyae (ранее Armillaria solidipes), также известный как опята.
Источник: By Mars 2002 — собственная работа, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30569616
История «микроба»
На большинстве вводных занятий по микробиологии упоминаются Антони ван Левенгук и Роберт Гук, члены Лондонского королевского общества, которые видели и задокументировали первые микроорганизмы.В то время как первые открытия, подобные открытию Левенгука, были сосредоточены на микробах в человеческом теле, ученые 18 века быстро узнали о микробах вокруг них, о чем свидетельствуют такие книги, как Observations d’histoire naturelle, faites avec le Microcope и немецкие работы Кристиана Готфрида Эренберга по теме невидимая жизнь в атмосфере. До этого момента эти микроскопические существа описывались расплывчато, и проводились параллели с животным миром: Левувенгук назвал свои открытия «анималкулами», а Эренберг был первым человеком, употребившим слово «бактерия».’С 1850-х годов и позже появление микроскопов в домах викторианской эпохи значительно расширило наше понимание микробного разнообразия: в настоящее время имеется множество описаний бактерий, простейших и инфузорий. Теперь микроскоп мог открывать скрытые миры неученым, особенно женщинам и детям викторианской эпохи, и их описания наполнены изображениями скрытых фантастических миров с параллелями с феями и мифическими существами. Во второй половине XIX века также возникло слово «микроб», которое образовано от двух греческих слов «микрос» и «биос», что означает «маленькая жизнь».’
Проблема определения «микроба»
Понимание науки микробного мира прошло долгий путь за столетия с тех пор, как впервые были обнаружены животные. Их больше не считают маленькими животными, они известны как самые старые обитатели Земли и значительно превосходят по численности людей и других эукариот. По мере расширения знаний о микробном мире такие слова, как «микроб» или «микроорганизм», по-прежнему используются в качестве общих терминов, которые могут относиться к людям из различных групп, таких как бактерии, грибы, вирусы или простейшие. Микробы представляют все 3 сферы жизни, а также инфекционные частицы, такие как вирусы. Источник: https://mmbr.asm.org/content/73/4/565#ack-1
В отличие от бактерий зубного налета, обнаруженных более 300 лет назад, первый вирус был идентифицирован на рубеже 20-го века, а несколько лет спустя были получены изображения. Это открытие еще больше усугубило сложный образ жизни и истории, заключенные в слове «микроб». Ученые задаются вопросом, применима ли часть микроба «bios» к вирусам, поскольку им нужен хозяин, чтобы «жить» или получать питательные вещества и производить новые. вирионы.Однако микробиологов ждал еще один сюрприз — в конце 1970-х была открыта архей . Древо жизни теперь показывает, что архей (одноклеточные организмы) имеют поразительное генетическое сходство с эукариотами (многоклеточными организмами), несмотря на то, что они ближе к бактериям по возрасту и физиологии! Например, рибосомные белки архей и системы убиквитина поразительно похожи на эукариотические. Чем больше света проливается на новые таксоны микробов, тем больше аномалий появляется в идее стандартного определения микробов.
Одна из причин, по которой этот и многие другие фундаментальные термины в микробиологии трудно определить, — это обширная и сложная природа микробного мира. Широту жизни, которую мы не видим, трудно разделить на отдельные категории. По мере того как обнаруживается все больше и больше видов, ученые вынуждены считаться с огромной биологической сложностью этих крошечных существ. От пробуждения глубоководных бактерий, которые бездействовали в течение 100 миллионов лет, до открытия бактерий, способных пережить радиацию, убившую человека, микробиологов просят изучить антропоцентрические взгляды на то, что является «обитаемым» и где существуют границы жизни.
Некоторые биологические открытия также поставили под сомнение само определение жизни. Прионы — это белки, которые не кодируют гены, но обладают врожденной способностью вызывать неправильное сворачивание других белков, что может создавать новые прионы. Тем не менее, большинство людей охотнее считают вирус микробом, чем прионом. Есть некоторые микроскопические существа, которые могут оставаться в состоянии покоя — между жизнью и смертью — в течение нескольких лет, например бделлоидные коловратки. Вирусы, прионы и коловратки, безусловно, маленькие или «микросы», но они перемещаются по миру совсем не так, как бактерии или грибы.
Почему это важно?
Достаточно сказать, что слово «микроб» использовалось для обозначения широких кругов вокруг нескольких расходящихся категорий. Это особенно заметно в журнальных статьях: многие исследования, включающие секвенирование гена 16S рРНК, делают выводы о микробах или микробных сообществах, когда на самом деле имеют в виду бактерии. Такие названия могут вводить в заблуждение; называть бактерии «микробными сообществами» было бы похоже на изучение людей и называть это изучением сообществ животных.Эта терминология также может привести к путанице в отношении различных микробных групп для стажеров, которые не знакомы с этой областью.Это не просто педагогическая дискуссия: слова имеют силу, особенно способность формировать общественное мнение о микробиологии. Поскольку пандемия COVID-19 разрушает сообщества по всему миру, слово «микроб» вызывает в воображении образы белков-шипов, масок и мытья рук. Сообщения об общественном здоровье могли бы быть более эффективными, если бы научные деятели подчеркивали различия между бактериальными и вирусными инфекциями и не изображали микробы как широкую, взаимозаменяемую категорию: антибиотики нацелены на бактериальные патогены и неэффективны против вирусных инфекций.Вирусы должны проникать в клетки-хозяева для размножения, в то время как многие бактериальные патогены также могут вызывать инфекции, выделяя токсичные соединения, влияющие на метаболизм хозяина. Эти факты влияют на стратегии лечения различных типов инфекций.
Добавление специфики в разговоры о микробах также позволяет внести нюансы в понятие микроба, что может быть особенно полезно для вводных научных классов. Хотя «микроб» — это широкий обобщающий термин, который полезен для ознакомления новичков с этой областью, понимание различий между микробными группами повышает компетентность в определении ролей конкретных подгрупп в отношении здоровья человека и окружающей среды.Роль почвенных микробов в связывании углерода — горячая тема в исследованиях климата, но ученые обычно измеряют активность бактерий и грибов, чтобы понять, как хранится почвенный углерод.
Определения и названия должны развиваться вместе с нашими постоянно расширяющимися знаниями, а это непростая задача. «Микроб» — удобный и практичный термин, чтобы познакомить новичков с множеством микробов, но профессиональные микробиологи могут захотеть спросить себя, что они имеют в виду, когда говорят «микроб»: изучали ли они грибковое сообщество? Или бактериальное сообщество? Или фаги, заражающие бактерии? В мире микробов дьявол кроется в деталях.
DOE объясняет … Микробиология | Министерство энергетики
Микробиология — это исследование микроорганизмов, которые обычно слишком малы, чтобы их можно было увидеть человеческим глазом без микроскопа. Микроорганизмы (также известные как микробы) необходимы для жизни на Земле; сложные организмы (включая людей) сочли бы почти невозможным выжить без них. Эти крошечные организмы определяют, как питательные вещества перемещаются в окружающей среде, контролируя работу экосистем.Например, они несут ответственность за разрушение и распад биологических материалов. Микроорганизмы влияют на наш климат, определяют, как портится пища, а также вызывают и контролируют заболевания. Мы также можем использовать микроорганизмы для производства жизненно важных лекарств, производства биотоплива, очистки загрязнения и выращивания сельскохозяйственных культур.
Микроорганизмы могут быть одноклеточными (одноклеточные), многоклеточными (клеточные колонии) или бесклеточными (без клеток). К ним относятся бактерии, археи, грибы, простейшие, водоросли и вирусы.
- Бактерии — это одноклеточные микробы без ядра.
- Археи похожи на бактерии, но имеют разные структуры и свойства. Это дает им возможность жить в экстремальных условиях окружающей среды.
- Простейшие — одноклеточные микроорганизмы, имеющие ядра. Они получают пищу, окружая ее клеточными мембранами. Они обитают в самых разных средах, где некоторые могут питаться бактериями, чтобы выжить.
- Водоросли — это одноклеточные или многоклеточные организмы, которые имеют ядра и получают энергию посредством фотосинтеза, как и растения.
- К грибам относятся грибы, плесень и дрожжи. Их клетки имеют ядра, а многие грибы многоклеточные.
- Вирусы — это неклеточные образования, которые состоят из ядра ДНК или РНК, окруженного белком. Не все биологи считают вирусы живыми организмами. Ни один из известных вирусов не способен воспроизводить себя — им нужны клетки других организмов, чтобы они могли копировать себя.
Управление науки Министерства энергетики США: вклад в микробиологические исследования
Министерство энергетики (DOE) поддерживает микробиологические исследования, которые помогают нам поддерживать энергетическую безопасность и устойчивую окружающую среду.Программа DOE по биологическим и экологическим исследованиям (BER) поддерживает научные исследования и объекты, которые стремятся понять сложные биологические, земные и экологические системы. Помимо исследований, финансируемых академическими учреждениями и национальными лабораториями, DOE BER поддерживает два учреждения, которые проводят микробиологические исследования. Лаборатория молекулярных наук об окружающей среде (EMSL) предоставляет ученым доступ к инструментам и технологиям для понимания клеточных процессов и взаимодействий. Исследователи используют эту информацию для построения моделей биологических систем.Объединенный институт генома Министерства энергетики США (JGI) секвенирует геномы микробов и микробных сообществ и предоставляет широкий спектр знаний и возможностей для исследований в области микробиологии и синтетической биологии.
Программа DOE по фундаментальным энергетическим наукам (BES) поддерживает фундаментальные исследования для понимания, прогнозирования и, в конечном итоге, контроля материи и энергии на электронном, атомном и молекулярном уровнях. BES финансирует исследования микробной биохимии и механизмов, которые микробы используют для захвата, преобразования и хранения энергии.Знания об этих естественных механизмах могут помочь вдохновить на разработку более эффективных компонентов и реакций для энергетических технологий.
Быстрые факты
- Ученые считают, что в чаше с почвой больше бактерий, чем людей на Земле. Это много бактерий — в мире примерно 7,8 миллиарда человек.
- Микробы могут выделять азот и фосфор из почвы и высвобождать их, чтобы растения могли использовать эти питательные вещества для роста и использования меньшего количества удобрений.
- ДНК микробов можно модифицировать для производства самых разных продуктов — от биотоплива до пластмасс и других полезных химикатов.
Ресурсы
Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите www.energy.gov/science.
1.2A Типы микроорганизмов — Биология LibreTexts
Микроорганизмы составляют значительную часть живого материала планеты и играют важную роль в поддержании экосистемы Земли.
Цели обучения
- Определите различия между микробными организмами.
Ключевые моменты
- Микроорганизмы делятся на семь типов: бактерии, археи, простейшие, водоросли, грибы, вирусы и паразиты многоклеточных животных (гельминты).
- Каждый тип имеет характерный клеточный состав, морфологию, способ передвижения и размножение.
- Микроорганизмы полезны для производства кислорода, разложения органических материалов, обеспечения растений питательными веществами и поддержания здоровья человека, но некоторые из них могут быть патогенными и вызывать заболевания у растений и людей.
Ключевые термины
- Окрашивание по Граму : метод дифференциации видов бактерий на две большие группы (грамположительные и грамотрицательные).
- пептидогликан : полимер гликана и пептидов, обнаруженный в стенках бактериальных клеток.
Микроорганизмы или микробы — это микроскопические организмы, которые существуют в виде одноклеточных, многоклеточных или клеточных скоплений. Микроорганизмы широко распространены в природе и полезны для жизни, но некоторые могут нанести серьезный вред. Их можно разделить на шесть основных типов: бактерии, археи, грибы, простейшие, водоросли и вирусы.
Бактерии
Бактерии — одноклеточные организмы. Клетки описываются как прокариотические, потому что у них нет ядра. Они существуют в четырех основных формах: палочка (форма стержня), кокк (сферическая форма), спирилла (спиральная форма) и вибрион (изогнутая форма).Большинство бактерий имеют клеточную стенку пептидогликана; они делятся двойным делением; и они могут обладать жгутиками для подвижности. Различие в структуре их клеточной стенки является основным признаком, используемым при классификации этих организмов.
В зависимости от способа окрашивания структуры их клеточной стенки бактерии можно классифицировать как грамположительные или грамотрицательные при использовании окрашивания по Граму. Бактерии могут быть далее разделены в зависимости от их реакции на газообразный кислород на следующие группы: аэробные (живущие в присутствии кислорода), анаэробные (живущие без кислорода) и факультативные анаэробы (могут жить в обеих средах).
По способу получения энергии бактерии классифицируются как гетеротрофы или автотрофы. Автотрофы сами производят пищу, используя энергию солнечного света или химические реакции, и в этом случае их называют хемоавтотрофами. Гетеротрофы получают энергию, потребляя другие организмы. Бактерии, использующие разлагающиеся формы жизни в качестве источника энергии, называются сапрофитами.
Археи
Археи или архебактерии отличаются от настоящих бактерий структурой клеточной стенки и не имеют пептидогликанов.Это прокариотические клетки, жадные к экстремальным условиям окружающей среды. В зависимости от среды обитания всех архей можно разделить на следующие группы: метаногены (организмы, производящие метан), галофилы (археи, живущие в соленой среде), термофилы (археи, живущие при очень высоких температурах) и психрофилы (живущие при низких температурах). Архейцы). Археи используют разные источники энергии, такие как газообразный водород, двуокись углерода и серу. Некоторые из них используют солнечный свет для производства энергии, но не так, как растения.Они поглощают солнечный свет с помощью мембранного пигмента бактериородопсина. Он реагирует со светом, что приводит к образованию энергетической молекулы аденозинтрифосфата (АТФ).
Грибы
Грибы (грибы, плесень и дрожжи) — это эукариотические клетки (с истинным ядром). Большинство грибов многоклеточны, и их клеточная стенка состоит из хитина. Они получают питательные вещества, поглощая органический материал из окружающей среды (разлагатели), посредством симбиотических отношений с растениями (симбионты) или вредных отношений с хозяином (паразиты).Они образуют характерные нитчатые трубки, называемые гифами, которые помогают поглощать материал. Коллекция гиф называется мицелием. Грибки размножаются, выпуская споры.
Простейшие
Простейшие — одноклеточные аэробные эукариоты. Они имеют ядро, сложные органеллы и получают питание путем абсорбции или проглатывания через специализированные структуры. Они составляют самую большую группу организмов в мире с точки зрения численности, биомассы и разнообразия. Их клеточные стенки состоят из целлюлозы.Простейшие традиционно подразделяются на основе их способа передвижения: жгутики производят свою собственную пищу и используют свою хлыстоподобную структуру для продвижения вперед, у инфузорий есть крошечные волосы, которые бьются, чтобы производить движение, у амебоидов есть ложные ноги или псевдоподии, используемые для питания и передвижения, и спорозоиды неподвижны. У них также есть разные способы питания, что объединяет их в автотрофы или гетеротрофы.
Водоросли
Водоросли, также называемые цианобактериями или сине-зелеными водорослями, представляют собой одноклеточные или многоклеточные эукариоты, которые получают питание путем фотосинтеза.Они живут в воде, влажной почве и камнях и производят кислород и углеводы, используемые другими организмами. Считается, что цианобактерии являются источником зеленых наземных растений.
Вирусы
Вирусы — это неклеточные образования, которые состоят из ядра нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), окруженного белковой оболочкой. Хотя вирусы классифицируются как микроорганизмы, они не считаются живыми организмами. Вирусы не могут воспроизводиться вне клетки-хозяина и не могут метаболизироваться самостоятельно. Вирусы часто поражают прокариотические и эукариотические клетки, вызывая заболевания.
Паразиты многоклеточных животных
Группа эукариотических организмов, состоящая из плоских и круглых червей, которые вместе называются гельминтами. Хотя они не являются микроорганизмами по определению, поскольку они достаточно большие, чтобы их можно было легко увидеть невооруженным глазом, они проживают часть своего жизненного цикла в микроскопической форме. Поскольку паразитические гельминты имеют клиническое значение, их часто обсуждают вместе с другими группами микробов.