В геноме кишечной палочки освободили место под новую информацию. Это дает возможность «заставить» ее гены кодировать новые, несвойственные ей биополимеры

Обновлено: 02.10.2022

Кишечную палочку Escherichia coli давно уже научили производить человеческие белки для нужд биотехнологии, благо генетический код у нас с ней одинаков. Но что если нам потребуется включить в структуру белка не классические аминокислоты, которые не закодированы в ДНК? Для этих целей международная команда исследователей переписала геном бактерии заново и внесла в него 18 214 правок. В результате в генетическом коде освободились три «места» под новые аминокислоты.


Переписывание генома — важный шаг на пути к созданию искусственной клетки. Ученые по всему миру раз за разом пытаются его усовершенствовать: то выкинут лишние гены, создав так называемый минимальный геном, то, наоборот, добавят новые буквы-нуклеотиды, расширив генетический алфавит.

Параллельно продолжаются попытки оптимизировать сам генетический код, то есть записать в ДНК информацию более экономичным способом. Механизм, который используют для кодирования информации живые организмы, избыточен: на каждую аминокислоту в ДНК приходится от 1 до 6 «слов» (кодонов, последовательностей из трех нуклеотидов), которые могут ее обозначать. Как правило, кодоны для одной аминокислоты похожи и отличаются в основном последними нуклеотидами. Это нужно для страховки информации от мутаций: если один нуклеотид случайно поменяется на другой, это никак не скажется на последовательности итогового белка именно благодаря избыточности кодонов.

Но если мы беремся синтезировать ДНК с нуля и работать с искусственным геномом, то нам мутации не страшны. Поэтому можно попробовать освободить место в генетическом коде, сделав так, чтобы каждой аминокислоте соответствовало меньшее количество кодонов. В ходе предыдущего подобного эксперимента команда американского молекулярного биолога Джорджа Черча попыталась высвободить целых семь кодонов. Ученые заявили, что им удалось заменить целых 62 с лишним тысячи кодонов, однако они подтвердили это далеко не во всех случаях.

Группа исследователей из США, Великобритании и Таиланда поставила перед собой менее масштабную задачу, но подошла к ней более педантично. Они выбрали три кодона, которые собираются «исключить» из ДНК. Затем они проверили, какие из этих кодонов входят в состав нескольких генов одновременно. Иногда последовательность ДНК можно прочесть как в одну сторону, так и в другую, и не всегда границы «слов»-кодонов при этом совпадают. В таких случаях ученые создавали две копии ДНК — для чтения «туда» и «обратно» — и изменяли их независимо.

В итоге исследователи вывели новую последовательность ДНК кишечной палочки и целиком синтезировали ее заново. Чтобы не нарушить жизнеспособность бактерии, ее внедряли по кусочкам. Всю искусственную молекулу ДНК разбили на восемь частей (от А до Н) и c помощью молекулярных ножниц CRISPR-Cas9 встроили в отдельные искусственные хромосомы. Затем их по отдельности внедрили в клетки кишечной палочки, а дальше эти клетки заставили обмениваться последовательностями ДНК. Причем делали это по очереди: сначала клетки с А-фрагментом «скрестили» с клетками с В-фрагментом. Потом проверили, что в некоторых клетках фрагменты успешно соединились. Затем клетки с АВ-участком подсадили к клеткам с С-участком, и так далее.

На финише клетки кишечной палочки несли полноценную синтетическую ДНК. Они были вполне жизнеспособны, практически не отличались от обычных ни формой, ни скоростью роста, ни белковым составом. Более того, если выключить в них ген, ответственный за транспортную РНК, которая должна узнавать «уничтоженные» кодоны, то в жизни клетки ничего не меняется. Это значит, что ученым удалось полностью убрать из генетического кода кишечной палочки несколько «слов», не повлияв на ее жизнеспособность. Следующим шагом должно стать «обучение» бактерии сборке белков с неканоническими аминокислотами.

Биологи прочитали геном кишечной палочки из желчного камня мумии итальянского аристократа


Молекулярные биологи секвенировали ДНК кишечной палочки из образца желчного камня, извлеченного из мумии итальянского аристократа XVI века, который страдал хроническим холециститом. Прочитанный геном состоял из одной хромосомы из 4446 генов и двух предполагаемых плазмид из 34 и 19 генов. Ученые отметили, что исследованная кишечная палочка, видимо, была условно-патогенной бактерией, которая получила «молекулярный гарпун» от клебсиеллы. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Communications Biology.

Исследования человеческих останков на наличие древних патогенов в основном ограничиваются исторически значимыми возбудителями, например, чумной палочкой (Yersinia pestis), палочкой Коха (Mycobacterium tuberculosis) или вирусом натуральной оспы (Variola virus). Гораздо меньше внимания уделяется другим микроорганизмам, в частности, кишечной палочке (Escherichia coli) — виду грамотрицательных палочковидных бактерий, которые обычно встречаются в нижних отделах кишечника теплокровных организмов (в воду, почву или на пищевые продукты они попадают в результате фекального загрязнения). Впервые этих микробов описал немецкий педиатр и бактериолог Теодор Эшерих (Theodor Escherich), в честь которого впоследствии и был назван род этих бактерий.

Большинство штаммов E. coli — непатогенные и выступают представителями нормального микробиоценоза кишечника. В некоторых случаях эшерихии могут проникать в другие ниши, например, в желчные пути, мочеполовую систему или органы дыхания, что порой приводит к развитию гнойно-воспалительных процессов, особенно при иммунодефиците (тогда речь идет об условно-патогенных бактериях). Кроме того, среди эшерихий выделяются и патогенные бактерии, способные вызывать острые кишечные или внекишечные заболевания. К возбудителям последних относятся уропатогенные эшерихии, эшерихии, вызывающие менингит новорожденных, или бактерии, ассоциированные с сепсисом.


Мумия Джовани д’Авалоса

Division of Paleopathology of the University of Pisa

Группа ученых из Австралии, Италии, Канады и Франции под руководством Хендрика Пойнара (Hendrik Poinar) исследовала мумию итальянского аристократа Джовани д’Авалоса, которую обнаружили в 1983 году в неаполитанском монастырском комплексе Сан-Доменико-Маджоре. Этот человек умер в 1586 году в возрасте 48 лет. Палеопатологическое и гистологическое исследование мумии позволило ученым предположить, что д’Авалос страдал хроническим холециститом (воспалением желчного пузыря). На это, в частности, указали желчные камни, синусы Рокитанского — Ашоффа и утолщение стенки желчного пузыря. К образованию камней в желчном пузыре, по данным ученым, могут приводить бактериальные инфекции, вызванные кишечной палочкой, бактероидами (Bacteroides spp.) и клостридиями (Clostridium spp.).

Молекулярные биологи решили прочитать древнюю ДНК из образцов желчного камня, чтобы выяснить, какая бактериальная инфекция привела к развитию холецистита. В результате им удалось секвенировать ДНК кишечной палочки. Ее геном включал одну хромосому из 4446 генов и две предполагаемые плазмиды из 34 и 19 генов. Метод главных компонент показал, что прочитанный бактериальный геном принадлежит к филогруппе A (подгруппа A0). Другие исторические штаммы, относящиеся к 1800-м годам, также находятся в этой филогруппе. По данным исследователей, кишечная палочка из мумии относится к редкой группе штаммов ST4995.

Чтобы оценить вирулентность прочитанного генома, ученые провели исследование с использованием модели сепсиса на мышах. Они ввели животным бактерии штамма ATCC11229 (генетически близкий к исследованному геному) и штамма CFTT073, принадлежащего к филогруппе B2. В результате первый штамм не убил ни одну из мышей, в то время как второй — всех. Ученые также отметили, что в геноме кишечной палочки из итальянской мумии они обнаружили «молекулярный гарпун» — систему секреции VI типа T6SS, которую E. coli, видимо, получили в результате недавнего горизонтального переноса (узнать об этом процессе можно в материале «Поверх барьеров») от клебсиеллы Klebsiella aerogenes. Кроме того, биологи не обнаружили в геноме специфических генов патогенности или приобретенной устойчивости к антибиотикам.

Ранее на N + 1 рассказывали, что израильские ученые получили штамм кишечной палочки, способный к автотрофному питанию, а шведские биологи обнаружили, что E. coli может подавлять развитие некоторых опухолей.

Геном кишечной палочки подсказал новый подход к диагностике болезни Крона

Российские ученые провели исследование бактерии кишечной палочки и ее роли в развитии хронического воспаления желудочно-кишечного тракта – болезни Крона. Полученные результаты могут помочь в ее диагностике и поиске терапии. О результатах своей работы ученые рассказали на международной конференции Федерации европейских биохимических обществ FEBS Congress, которая прошла в Иерусалиме. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).



Эндоскопия. Нормальная подвздошная кишка (слева). Подвздошная кишка при болезни Крона – картина «булыжной мостовой» (справа). Источник: Петр Щербаков

Болезнь Крона может приводить к физической и социальной инвалидности пациентов, также она опасна тем, что провоцирует появление злокачественных образований. При этом причины возникновения и развития болезни остаются неясными, лечение достаточно тяжелое, а успешным результатом считается стойкая ремиссия, не всегда достижимая. Группа сотрудников Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины (ФНКЦ ФХМ) в течение четырех лет исследовала нарушения состава бактериальной флоры кишечника как возможную причину возникновения болезни Крона.

«Литературные данные по этому вопросу достаточно противоречивы. По нашим наблюдениям, примерно у половины обследованных людей с болезнью Крона было обнаружено аномально высокое содержание бактерий кишечной палочки, от 20 до 80%, по сравнению со здоровыми людьми, у которых оно не превышало 0,05%. В исследовании принимало участие около 100 пациентов с болезнью Крона и столько же здоровых. Это подвело нас к идее выделить E.coli от пациентов с болезнью Крона, у которых ее содержание повышено», — рассказала один из авторов исследования, сотрудник ФНКЦ ФХМ Дарья Ракитина.

Сбор данных, постановка экспериментов и обработка результатов для статьи объединили усилия большого коллектива авторов из 11 научных учреждений. В рамках проекта, поддержанного грантом РНФ, российские ученые изучают бактерии кишечной палочки у больных пациентов в сравнении с бактериями E.coli здоровых людей. Исследователи предполагают, что проникновение этого вида бактерии в слизистую оболочку кишечника провоцирует иммунную систему человека на агрессивную аутоиммунную реакцию в виде болезни Крона. Некоторые результаты работы опубликованы ранее в научном журнале BMC Genomics, где ученые дали генетическую характеристику ряду изолированных бактерий E.coli, полученных от пациентов с болезнью Крона.

«В исследовании, поддержанном грантом РНФ на 2016-2018 годы, мы надеемся найти отличия кишечной палочки, живущей в кишечнике пациентов с болезнью Крона, от кишечной палочки людей без воспалительных заболеваний. Отличия эти могут быть в наличии или отсутствии определенных генов или в разном содержании белков. В частности, на настоящий момент показано, что в геномах Е. coli от пациентов с болезнью Крона достоверно чаще встречаются гены, вовлеченные в метаболизм пропандиола и других многоатомных спиртов. Функционально сходная группа генов патогенной бактерии Salmonella typhimurium, по литературным данным, играет важную роль в индукции воспаления кишечника при инфекции. Возможная роль данной группы генов E. coli в патогенезе при болезни Крона — одно из направлений наших дальнейших исследований», — комментирует работу Дарья Ракитина.

Ученые предполагают, что выявленные отличия могут быть использованы для разработки скрининговых диагностических систем. Это могло бы позволить проводить неинвазивные, то есть требующие минимального вмешательства, анализы даже при легком недомогании и выявлять воспаление кишечника на ранних этапах, облегчая лечение. Полученные данные позволят лучше понять механизм возникновения заболевания.

Кишечная палочка озверела: новый возбудитель инфекций обнаружен у сурков – Scientific Reports

Учёные из Сколтеха, Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН и Института науки и технологий Австрии провели первое систематическое исследование генов, за счёт которых бактерии шигелла и некоторые штаммы кишечной палочки способны нарушать работу клеток кишечника, вызывая инфекционную диарею. Обнаружив такие гены в бактериях сурков, крыс и овец, учёные предположили, что животные могут быть источником нового заразного микроба, представляющего потенциальную угрозу дл­­я людей. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

marmots_hatching_infection

Кишечная палочка — бактерия, которая живёт в числе прочего в кишечнике человека. Большинство её штаммов не вызывают никаких проблем и даже приносят человеку пользу, вырабатывая витамин К и сдерживая размножение других, вредных микробов. Но существуют и менее миролюбивые штаммы, которые атакуют клетки кишечника и вызывают острую инфекционную диарею. У таких проникающих в клетки, или энтероинвазивных, кишечных палочек есть бактерия-родственник, шигелла, которая вызывает аналогичные последствия и считается более опасной для человека.

До недавнего времени считалось, что заразиться шигеллой естественным путём могут только люди и другие приматы, хотя в лабораторных условиях учёным удавалось инфицировать цыплят и свиней.

Агрессивность шигеллы и энтероинвазивной кишечной палочки обусловлена тем, что на определённом этапе своей эволюции эти микробы получили доступ к набору вредоносных генов, записанных на плазмиде — куске внешней ДНК с «бонусными» способностями. В данном случае речь о способности вторгаться в клетку хозяина и помечать её белки, обрекая их на уничтожение.

Учёные Сколтеха и их коллеги впервые провели систематический анализ, сравнив гены 127 штаммов шигеллы и двух штаммов кишечной палочки инвазивного типа.

«Прежде всего, мы обнаружили значительные отличия в наборе генов у разных штаммов, — отмечает первый автор работы Наталия Драненко, выпускница магистратуры Сколтеха и аспирант ИППИ РАН. — Поскольку известно, что все эти штаммы вызывают заболевания, можно сделать вывод, что для „набора зловредных генов“ характерна избыточность. Нарушить один и тот же клеточный процесс можно разными способами, и, по-видимому, в атаке на клетку задействовано множество генов, которые вредят разным белкам — участникам процесса. „Плохая​​“ бактерия не обязательно будет иметь полный набор таких генов».

В то же время ясно, что эффективному возбудителю нужны гены сразу двух типов — и для вторжения в клетку, и для нарушения её работы. Первый тип в этом исследовании не рассматривался.

Помимо вариативности набора вредоносных генов, учёные установили, что гены для нарушения работы инфицированной клетки были помечены особой последовательностью ДНК, которая характерна для участков, подверженных так называемому горизонтальному переносу. Это значит, что бактерия как бы сигнализирует, что готова меняться этой частью генетического кода с собратьями. При реализации механизма обмена некогда безобидные бактерии могут мутировать в новые заразные штаммы. К чему это может привести, все хорошо знают.

Учёные проверили генетические базы данных на предмет других бактерий — носителей генов из подтверждённого вредоносного набора и обнаружили четыре «звериных» штамма предположительно заразной кишечной палочки: у сурков, крыс и овец.

«Некоторые из „нехороших“ генов были обнаружены в бактериях всех трёх животных, — рассказывает один из авторов исследования, старший научный сотрудник Сколтеха Мария Тутукина. — Но в целом у патогенов всех трёх видов животных были найдены лишь фрагменты „набора зловредных генов“, и эти фрагменты в каждом случае были разными. Однако раз микробам всё же удалось выжить в организме животных, значит, механизм заражения работоспособен, по крайней мере отчасти».

Один из штаммов «звериной палочки» — найденный у сурка — выглядит более грозным, чем остальные. Дело в том, что сурки вообще известны как инкубаторы опасных инфекций, например чумы, которая может перекинуться на человека через укус блохи. Так вот, у заразившей сурка палочки был найден ген, отвечающий за синтез болезнетворного белка, который оказался практически идентичен аналогичному белку кишечной палочки человека.

«Одна из возможных причин такого совпадения — что этот штамм мог первоначально специализироваться на людях, но в какой-то момент перекинуться на сурков, — поясняет Тутукина. — При худшем сценарии развития событий он может к нам вернуться, принеся с собой наработанные за это время новые гены».

Сурки могут быть носителями опасной для человека инфекции

Неизвестный ранее возбудитель инфекции обнаружен у сурков. Он подозрительно похож на патогенную кишечную палочку человека.

Неизвестный ранее возбудитель инфекции обнаружен у сурков. Он подозрительно похож на патогенную кишечную палочку человека.
Фото Unsplash.

Российские учёные совместно с австрийскими коллегами впервые подробно исследовали гены, за счёт которых бактерии шигеллы и некоторые штаммы кишечной палочки (вид Escherichia coli) вызывают инфекционную диарею.

Но самое важное, что подобные гены исследователи обнаружили в бактериях сурков, крыс и овец. Это заставило учёных предположить, что такие животные могут быть носителями потенциально опасных для людей микроорганизмов.

Кишечная палочка обитает в кишечнике человека вместе с тысячами других видов бактерий. Большинство её штаммов неопасны и даже полезны для человека, к примеру, помогают усваивать витамины и защищают организм от других, более опасных микробов.


Но некоторые штаммы E. coli способны атаковать клетки кишечника и вызывать острую инфекционную диарею. Таких кишечных палочек называют энтероинвазивными. У них есть бактерия-родственник, шигелла (Shigella), которая действует похожим образом и считается более опасной для человека.

Заразиться шигеллой естественным путём могут только люди и другие приматы. По крайней мере, так считалось до недавнего времени. В некоторых экспериментах учёным также удавалось инфицировать ею цыплят и свиней.

Агрессивность шигеллы и энтероинвазивной кишечной палочки обусловлена тем, что на определённом этапе своей эволюции эти микробы получили доступ к набору генов плазмид. У бактерий эти небольшие кольцевые молекулы ДНК несут свой набор генов, отдельно от хромосомного. Именно эти "дополнительные" гены и переняли себе бактерии, заполучив таким образом "бонусные" способности.

В данном случае речь о возможности вторгаться в клетку хозяина и помечать её белки, обрекая их на уничтожение.

Учёные Сколтеха и ИППИ РАН сравнили гены 127 штаммов шигеллы и двух штаммов кишечной палочки инвазивного типа.

Они обнаружили особую последовательность ДНК, которая помогает бактериям мутировать, создавая новые более заразные штаммы.

Позднее в генетических базах данных исследователи нашли другие бактерии-носители тех же генов из подтверждённого вредоносного набора. Так они и обнаружили четыре "звериных" штамма предположительно заразной кишечной палочки: у сурков, крыс и овец.


Один из штаммов "звериной палочки", тот, что был найден у сурка, вызывает у исследователей больше беспокойства, чем остальные.

Сурки часто выступают инкубаторами опасных инфекций, широко известны случаи заражения человека от них бубонной чумой. Поэтому их патогены исследователи изучают с особым вниманием.

Кишечная палочка, заразившая сурка из исследования, обладает геном, отвечающим за синтез болезнетворного белка. И он оказался почти неотличим от аналогичного белка кишечной палочки человека.

Исследователи считают, что этот штамм мог изначально циркулировать среди людей и затем перекинуться на сурков, мутируя (накапливая мутации) уже в животной популяции.

В худшем случае эта "сурковая" палочка может снова научиться инфицировать людей, и тогда в мире появится бактерия, которая получила ряд новых неизвестных нам мутаций. Такую вероятность важно отслеживать, отмечают российские учёные.


Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Scientific Reports.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".

Пожалуйста, не занимайтесь самолечением!
При симпотмах заболевания - обратитесь к врачу.

Читайте также: