Кишечная палочка не всегда плоха - на самом деле это маловероятный герой исследований

Целая вселенная непатогенных штаммов заложила основы современной науки.

Отредактировано 2023-25-06
рука в перчатке держит чашку ПетриКишечные палочки являются удивительно важной частью биологических исследований.

Бактерии очень недооценивают. От сельского хозяйства до производства вкусовых добавок, эти микробы играют важную роль в том, о чем вы, возможно, даже не подозревали. В этой серии есть еще три истории о бактериальных удобрениях, реставрации произведений искусства и микробах, которые делают уксус.

Мы привыкли слышать о кишечной палочке (более известной как E. coli) как об ужасном патогене в ночных новостях, и это правда, что вспышки кишечной палочки представляют собой опасную угрозу для здоровья населения. Но вы не только носите некоторых из них в своем кишечнике прямо сейчас, вы на самом деле в долгу перед этими микробами - на них основана большая часть современной науки и медицины.

Инженерные кишечные палочки производят, например, мРНК компонента вакцины COVID-19 компании Pfizer. Они также играют роль в разработке и производстве множества важных фармацевтических препаратов, включая Таксол (для лечения различных видов рака) и цертолизумаб (для лечения болезни Крона).

Помимо здравоохранения, микроорганизм был сконструирован для разложения распространенного материала, не подлежащего переработке, и основного компонента полиэфирных тканей - полиэтилентерефталата (ПЭТ) - на полезный химикат ванилин, который отвечает за запах и вкус ванильных бобов. Крошечные одноклеточные организмы даже были обучены светиться при встрече с тротилом, химическим следом наземных мин, чтобы гуманитарные организации могли обнаружить взрывчатку и в конечном итоге удалить ее.

Есть несколько ключевых характеристик, которые способствовали дикому успеху кишечной палочки.

Во-первых, этот микроб обитает в кишечнике теплокровных животных, поэтому он всегда доступен и никогда не был в дефиците. Поскольку кишечная палочка растет при температуре тела, лабораторные культуры поддерживаются при умеренной температуре 37,4 градуса по Цельсию (99,3 градуса по Фаренгейту). E. coli также не привередлива ни к среде выращивания, ни к питанию - она может расти как с кислородом, так и без него, и будет питаться практически чем угодно в качестве топлива. Возможно, самое главное - кишечная палочка размножается с поразительной скоростью, удваиваясь каждые 20 минут.

Но дело не только в том, что кишечная палочка по своей природе идеально подходит для лабораторных работ - были предприняты целенаправленные усилия, чтобы сосредоточиться на этих бактериях.

В 1940-х годах Макс Дельбрук, физик из Германии, прибыл в Калифорнийский технологический институт и наткнулся на кишечную палочку, которую использовали в качестве модельного организма в соседней лаборатории. "Для физика, заинтересованного в разгадке тайн биологической репликации, система, в которой одна особь за считанные минуты давала потомство из сотен особей, должна была стать воплощением мечты", - пишет Роберто Колтер, заслуженный профессор микробиологии Гарвардской медицинской школы, об открытии Дельбрука.

После того, как он продемонстрировал случайный характер генетических мутаций с помощью кишечной палочки (открытие, ставшее краеугольным камнем современной биологии), Дельбрук предложил Договор о фагах. В этом документе исследователям бактерий предлагалось взять на себя обязательство работать с определенным штаммом кишечной палочки, чтобы стандартизировать ранние бактериологические работы и обеспечить возможность прямого сравнения экспериментов в различных лабораториях.

"Решение о том, что все сосредоточатся на ограниченном количестве организмов в качестве модельных систем, помогает нам получить детальное представление о конкретном организме", - говорит Майкл Томас, профессор бактериологии в Университете Висконсин-Мэдисон.

После этого два десятилетия классических экспериментов закрепили механизм, имеющийся в клетках кишечной палочки, в качестве центрального инструмента для разбора основных биологических концепций. Роль и природа ДНК как первичного генетического материала были выяснены на кишечной палочке, как и механизм репликации ДНК.

Фундаментальный постулат биологии - что ДНК превращается в РНК, которая превращается в белки - появился в результате экспериментов с кишечной палочкой, проведенных в 1960-х годах. "Будь вы биохимик, генетик, нейробиолог, все мы руководствуемся одним принципом - твердым убеждением, что из ДНК получается РНК, из которой получается белок. И именно так все и работает", - объясняет Томас. "Биология, по сравнению с физикой или химией, не была зрелой наукой, пока в 20-м веке не появилась эта парадигма, и E. coli была в центре внимания".

Когда кишечная палочка прочно утвердилась в качестве стандартного модельного организма для микробиологов, качество инструментов, доступных для манипулирования бактериями, резко возросло. Возможно, наибольшее влияние оказала рекомбинантная ДНК (рДНК) - небольшие фрагменты генетического материала, которые могут передаваться между живыми клетками.

РДНК позволяет исследователям объединять гены разных видов и внедрять их в другие организмы, которые не имеют естественного выражения этих признаков. Например, флуоресцентный признак, развившийся у одного из видов рыб, может быть перенесен с помощью рДНК в бактериальные и даже человеческие клетки. Искусственный генетический код часто упаковывается в виде круглого участка ДНК, называемого плазмидой.

Для вставки плазмиды в существующий генетический код живого организма необходимы два вида белков: ферменты рестрикции, которые разрезают ДНК в определенных местах, и соединительные ферменты, называемые лигазами, которые приклеивают плазмиду на место. ДНК хозяина разрезается, плазмида вставляется в зазор, а лигазы восстанавливают разрез, сделанный ферментами рестрикции. После успешного встраивания организм хозяина будет экспрессировать ген, закодированный на плазмиде, как будто он всегда там был.

Плазмиды настолько широко используются сегодня, особенно в сочетании с E. coli, что исследователи могут приобрести целую библиотеку уже существующих и подготовленных последовательностей ДНК. В ранние времена лаборатории создавали оригинальные плазмиды с нуля для своих конкретных проектов, но "с коммерциализацией научных исследований", говорит Колтер, возможности генетической трансформации стали настолько доступными, насколько это когда-либо было возможно.

Плазмидная технология занимает центральное место в процессе производства мРНК-вакцины компании Pfizer. Последовательность, кодирующая белок спайк коронавируса, вводится в клетки кишечной палочки, которые растут и создают множество копий последовательности ДНК, содержащейся в оригинальной плазмиде. Затем скопированная ДНК выделяется из клеток кишечной палочки и переносится на другое предприятие для транскрипции в мРНК, содержащуюся в самой вакцине.

Хотя кишечная палочка внесла ключевой вклад в развитие ранней микробиологии и продолжает играть ключевую роль во многих видах биологических исследований сегодня, она отнюдь не является "идеальным" модельным организмом. Например, бактерии слишком просты, чтобы быть хорошей моделью для человеческих клеток.

Однако даже при изучении более сложных систем, по словам Томаса, кишечная палочка является широко используемым первым шагом в генной инженерии, лакмусовой бумажкой для проверки того, будут ли предложенные изменения работать в простых бактериях, прежде чем их перенесут на более сложного хозяина. Если лаборатория пытается произвести определенный вид биотоплива, химическое вещество, антибиотик или один конкретный фермент, первым шагом является проверка возможности его производства в кишечной палочке.

"Главное преимущество - это скорость: вы можете узнать, верна ли ваша гипотеза, гораздо быстрее, чем в случае со многими другими организмами", - объясняет он. "Поскольку они растут так быстро, вы можете легко манипулировать ими, чтобы получить сравнение". Благодаря своей обширной истории в качестве неотъемлемой части биологических исследований, кишечная палочка будет продолжать использоваться в лабораториях еще многие десятилетия. Полезность этого крошечного организма, безусловно, не исчерпана, несмотря на его долгое пребывание в центре внимания.