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¿Cómo puede la E. coli proliferar tan rápidamente?

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La E. coli tiene un genoma con aproximadamente 5×106 bp. La principal ADN polimerasa involucrada en su duplicación cromosómica (ADN pol III, la de mayor procesividad) puede polimerizar ~103 nucleótidos por segundo. Con un simple cálculo, concluiríamos que la duplicación cromosómica completa tomaría ~ 5000 segundos (aproximadamente 80 minutos, por lo que más de una hora). La duplicación de células completas probablemente requeriría mucho más que eso, considerando que no solo está involucrado el ADN Pol III. Sin embargo, en condiciones óptimas, E. coli puede duplicarse en ~30 minutos. ¿Cómo podría ser eso posible?

OBS .: todos los números utilizados aquí son aproximados, pero suficientes para dar cuenta de los órdenes de magnitud correctos.


Aunque Escherichia coli tiene un solo origen de replicación (oriC), la replicación procede en ambas direcciones a partir de él. Por lo tanto, según sus cálculos, la replicación del ADN tarda 40 minutos (lo que aún es demasiado si el tiempo de duplicación es de 30 minutos). La solución es comenzar la replicación nuevamente antes de que se complete la ronda anterior, y aquí hay algunas investigaciones que muestran exactamente eso:


Yoshikawa H, O'Sulliven A, Sueoka N. 1964. Replicación secuencial del Bacillus subtilis cromosoma. Prod Nat Acad Sci 52: 973-980

Obviamente, la replicación dicotómica es ventajosa para el crecimiento bacteriano porque las bacterias pueden replicar los cromosomas más rápido que teniendo un punto de replicación. Con un punto de replicación, el tiempo de replicación y, en consecuencia, el tiempo de generación celular, estaría limitado por la tasa máxima de ADN polimerasa.


Cooper S, Helmstetter CE. 1968. Replicación cromosómica y ciclo de división de Escherichia coli B / r. J Mol Bio 31 (3): 519-540

… Las células que crecen más rápido de 40 minutos por duplicación deben iniciar nuevos puntos de replicación antes de completar la síntesis de ADN en los puntos anteriores; en otras palabras, debería haber varias bifurcaciones.


Skarstad K, Boye E, Steen HB. 1986. Momento del inicio de la replicación cromosómica en células individuales de Escherichia coli. EMBO J 5 (7): 1711-1717

En cultivos de rápido crecimiento, con replicación paralela de varios cromosomas, las células terminarán con 2n (n = 1, 2, 3) cromosomas si la iniciación ocurre simultáneamente en todos los orígenes. Un cultivo con iniciación asincrónica puede contener además células con un número irregular (no igual a 2n) de cromosomas. La frecuencia de células con un número irregular de cromosomas es una medida del grado de asincronía de iniciación.


Fossum S, Crooke E, Skarstad K. 2007. Organización de orígenes hermanos y replisomas durante la replicación del ADN multifork en Escherichia coli. EMBO J 26 (21): 4514-4522

... la iniciación ocurre en dos orígenes en la célula 'madre'. Incluso puede ocurrir en la célula 'abuela' en cuatro orígenes si el tiempo que lleva replicar y segregar el cromosoma excede las dos generaciones.

Esta última imagen es interesante porque en realidad se ven los múltiples orígenes de replicación en células individuales mediante microscopía de fluorescencia.


Las tasas de división celular pueden exceder las tasas de replicación del ADN, porque puede ocurrir la replicación del ADN. en paralelo, mientras que la división celular siempre es serial. En un cromosoma circular como E. coli, la replicación comienza en el origen de la replicación. Una vez que se replica el origen, se puede iniciar otra replicación cromosómica allí, mientras que la primera ni siquiera está terminada. Por lo tanto, esta replicación paralela permite tasas de división celular que exceden las velocidades de duplicación cromosómica.


Replicación bifurcada en E. coli. Fuente: Fossum et al. (2007)

Referencia
- Fossum et al., Revista EMBO (2007); 26: 4514-22


La capacidad de expresar y purificar proteínas humanas es esencial para la investigación científica. Sin embargo, pueden surgir desafíos al cambiar entre sistemas que no son esencialmente iguales. Aquí hay algunos consejos para la expresión de proteínas recombinantes en E. coli:

Optimización de codones

Los diferentes organismos a menudo muestran preferencias particulares por uno de los varios codones que codifican el mismo aminoácido (sesgo de codón). Al expresar un gen humano (por ejemplo) en E. coli, es importante considerar que el anfitrión puede tener diferentes preferencias para ciertos codones. Tenga esto en cuenta al diseñar su construcción genética. El objetivo aquí es aumentar la eficiencia de traducción de la proteína mediante el intercambio de secuencias de codones en el gen diana para que sea compatible con la lectura de los ARNt en la cepa huésped.

SUGERENCIA # 1: Varias tablas con frecuencia de uso de codones para E. coli se puede encontrar buscando en Google "E. coli optimización de codones ".

Deformación de expresión

Proyección de múltiples E. coli cepas para la expresión de su proteína objetivo es un paso que a menudo se ignora. Existe un número aparentemente infinito de cepas. Algunos expresan copias adicionales de los ARNt de codones raros (por ejemplo, BL21 (DE3) RIL y Rosetta) mientras que otros están diseñados para ayudar con problemas de solubilidad (por ejemplo, la cepa ArcticExpress expresa chaperones adaptados al frío). Las cepas de expresión también se pueden encontrar en formas químicamente competentes o electrocompetentes, así que verifique cuál funciona mejor para su proteína de interés.

SUGERENCIA # 2: E. coli expresa de forma natural varias proteínas que tienen una alta afinidad por la resina de níquel (utilizada para la purificación de la etiqueta 6xHis). Las cepas LOBSTR de Kerafast se basan en la popular cepa BL21 (DE3), pero dos de los principales contaminantes (E. coli ArnA y SlyD) se han diseñado para que ya no se unan a la resina de níquel. Esto puede ayudar enormemente en el futuro durante la purificación por afinidad.

Medios, temperatura e inducción

Puede probar diferentes medios que van desde complejos a mínimos o definidos en pequeñas pruebas de expresión de prueba para ver cuál produce la máxima expresión de su proteína. La temperatura a la que crece el E. coli células y en las que induce (expresa su proteína diana) debe tenerse en cuenta. Es bastante común hacer una inducción algo rápida (4-6 horas) a 25-37 ° C. A menudo, una inducción más lenta (12-16 horas) a una temperatura más fría (se usa con frecuencia 16 ° C) aumentará la expresión de la proteína diana soluble. Por último, es importante establecer la mejor concentración de isopropil-β-D-1-tiogalactopiranósido (IPTG) u otro reactivo de inducción mediante pequeños ensayos de expresión de prueba.

SUGERENCIA # 3: Antes de inducir, asegúrese de que la temperatura de su incubadora y la de los cultivos se hayan ajustado a la temperatura de inducción deseada. Se pueden utilizar baños de hielo y cámaras frigoríficas para acelerar este enfriamiento. El objetivo aquí es ralentizar la división celular una vez que se alcanza la densidad de células deseada (por ejemplo, OD600 = 1.0).

SUGERENCIA # 4: Los fermentadores suelen ser útiles para grandes E. coli expresión de proteínas.

Purificación

La purificación por afinidad permite la separación de su proteína objetivo de la gran cantidad de E. coli proteínas presentes en el lisado celular. La etiqueta 6x-His es probablemente la opción más popular para la purificación inicial de proteínas recombinantes. Sin embargo, también existen muchas otras etiquetas de fusión, que incluyen: GST, Trx, MBP, dominio de unión a quitina, GFP y Strep-II. También es importante señalar que las etiquetas de afinidad pueden alterar la estabilidad de su proteína. A veces es útil probar las etiquetas N-terminal y C-terminal para ver cuál se expresa mejor.

CONSEJO # 5: Tras la lisis celular, los contenidos celulares se combinan, lo que expone su proteína objetivo a las diversas proteasas, etc. presentes. El uso de inhibidores de proteasa como PMSF y benzamidina puede reducir la proteólisis no deseada.

CONSEJO # 6: La etiqueta de afinidad MBP puede ayudar a estabilizar la proteína objetivo actuando como una especie de acompañante y aumentando la expresión de proteínas solubles. La MBP se une a la resina de amilosa, que se puede utilizar como paso de purificación inicial.

SUGERENCIA # 7: ¿Está planeando eliminar su etiqueta de afinidad? Asegúrese de que el sitio de reconocimiento de la escisión de la proteasa no se encuentre también dentro de su secuencia de proteínas.

¿Sigues teniendo problemas? Quizás es hora de mirar un sistema de expresión diferente. Existen muchos sistemas de mamíferos, insectos y levaduras y se ha demostrado que mejoran en gran medida la expresión de muchas proteínas difíciles.


Reducir para sobrevivir: las bacterias se adaptan a un estilo de vida cambiante

¡Solo faltan unas semanas para picnics y barbacoas de verano! Tan emocionado como estás de darte un gusto este verano, Escherichia coli las bacterias están ansiosas por darse un festín con el buffet de todo lo que pueda comer que están a punto de experimentar en su intestino.

Sin embargo, ocurrirá algo inesperado cuando E. coli las células terminan su viaje a través de su tracto digestivo. Sin previo aviso, se encontrarán nadando en la taza del inodoro, aferrándose a los últimos nutrientes adheridos a sus cuerpos. ¿Cómo se adaptan estos diminutos organismos para sobrevivir a la inanición repentina? Los científicos de la Universidad de Washington en St. Louis se preguntaron.

Examen minucioso de personas privadas de nutrientes E. coli bajo el microscopio, un proceso de rutina en un laboratorio que estudia el tamaño de las células bacterianas, reveló células que se veían diferentes y que estas diferencias están relacionadas con su capacidad para sobrevivir.

"Su citoplasma se encogió. A medida que se encogió, la membrana interna se separó de la membrana externa y dejó un gran espacio en un extremo de la célula", dijo Petra Levin, profesora de biología en Artes y Ciencias, cuyo científico postdoctoral, Corey Westfall, y el estudiante de pregrado, Jesse Kao, fue el primero en hacer la observación.

El espacio al que se refiere Levin, entre las membranas interna y externa de las bacterias, se llama periplasma. En colaboración con Kerwyn Casey Huang, profesor de bioingeniería y de microbiología e inmunología en la Universidad de Stanford, y su científico postdoctoral, Handuo Shi, Levin encontró una respuesta de desarrollo inesperada a la inanición, una que puede estar manteniendo E. coli vivo hasta que encuentren su próximo buffet.

El trabajo se publica esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Los biólogos demostraron que cuando E. coli las células carecen de nutrientes, el citoplasma se vuelve más denso a medida que disminuye su volumen, probablemente debido a la pérdida de agua. Al mismo tiempo, el periplasma aumenta de volumen a medida que la membrana interna se separa de la membrana externa.

"Aunque todavía no lo sabemos con certeza, creemos que la célula está concentrando los nutrientes en el citoplasma para que pueda seguir funcionando con el metabolismo a un ritmo elevado", dijo Levin. "Quizás esta sea una adaptación a E. coliEs un estilo de vida en constante y rápido cambio, en el que sabe que cada entorno es temporal ".

El encogimiento es reversible, encontraron los científicos. Una vez que transfirieron las bacterias hambrientas a un medio rico en nutrientes, la membrana interna y el citoplasma se expandieron. Las células bacterianas se recuperaron rápidamente de la inanición, especialmente cuando E. coli recibieron su fuente de carbono favorita, la glucosa. Y, lo que es más importante, si el sistema Tol-Pal estaba intacto.

El sistema Tol-Pal es una maquinaria celular crítica compuesta de proteínas que conectan la membrana externa con la interna. Pero su función ha sido poco estudiada. A medida que la membrana interna se expande, el sistema Tol-Pal ayuda a reconectarla con la membrana externa, especulan los científicos. Cuando el sistema Tol-Pal estaba ausente, el contenido interno de las células se desangraba.

"Especulamos que Tol-Pal actúa como el deslizador de la cremallera, ayudando a que la membrana interna se deslice hacia la capa de la membrana externa durante la recuperación", dijo Levin.

¿Qué sucede con las proteínas transmembrana, incrustadas tanto en la membrana interna como en la externa, cuando la membrana interna se separa de la membrana externa? ¿Se destrozan? Levin y sus colegas aún no lo saben y esperan responder a estas preguntas en el futuro.


Una cepa de E. coli de cromosomas tripartitos permite el aislamiento y la implantación del cromosoma

Figura 1: División del cromosoma El cromosoma de E. coli se dividió en tres cromosomas de 1 Mb y el cromosoma se utilizó para la implantación del genoma. Crédito: Universidad de Rikkyo

El motivo de preocupación era que el genoma de Escherichia coli (E. coli), que consta de 4,6 millones de pares de bases de un solo ADN circular, es demasiado grande para manipularlo después de la extracción y transferencia a otras bacterias.

En el presente estudio, un grupo de investigadores de la Universidad de Rikkyo dirigido por el profesor asistente Takahito Mukai y el profesor Masayuki Su'etsugu ha logrado dividir el genoma de E. coli en un genoma tripartito de 1 millón de pares de bases por genoma (genoma dividido) utilizando la La cepa más pequeña del genoma de E. coli establecida hasta ahora. Además, extrajeron con éxito el genoma dividido de bacterias y lo instalaron en otras E. coli.

Es un gran avance que E. coli pudiera proliferar de manera estable incluso después de que el genoma bacteriano se dividiera en genoma tripartito. De cara al futuro, es imperativo aclarar cómo se controlan la replicación y distribución del genoma tripartito. Además, este grupo de investigación ha estado desarrollando la tecnología para sintetizar ADN gigantesco sin utilizar células (sin células) y ha informado de una técnica sin células para amplificar 1 millón de pares de bases de ADN circular. En el futuro, se espera que la instalación de genomas divididos sintetizados sin células en E. coli conduzca a la creación de E. coli artificial con funciones valiosas diseñadas, como la producción de material.

Se espera que este logro conduzca a la clarificación del mecanismo de replicación / segregación del genoma y también a la aplicación de herramientas en biología sintética para convertir el genoma, el modelo de la vida, de modo que podamos crear vida funcionalmente diseñada. Los resultados del presente estudio se han publicado en la versión en línea como un artículo innovador en Investigación de ácidos nucleicos el 28 de abril de 2021.


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Cómo la E. coli resistente a los medicamentos tiene éxito como amenaza para la salud pública

Washington, DC - 23 de abril de 2019 - En un estudio publicado esta semana, un equipo internacional de investigadores realizó análisis de alta resolución de más de 850 genomas resistentes a los fármacos para identificar las estrategias de supervivencia empleadas por los clones de Escherichia coli resistentes a los fármacos. La investigación se publica en mBio, una revista de acceso abierto de la Sociedad Estadounidense de Microbiología.

En los últimos años, la aparición y propagación de multirresistentes E. coli han alimentado las preocupaciones sobre las pandemias que esperan suceder. Y por una buena razón: E. coli los clones que son patógenos fuera del intestino pueden causar infecciones peligrosas en la sangre, el tracto urinario y otros lugares. Desarrollar nuevas formas de prevenir la evolución y propagación de patógenos resistentes a múltiples fármacos requerirá una mejor comprensión de por qué tienen tanto éxito en primer lugar.

En particular, los investigadores encontraron que a pesar de que las poblaciones de E. coli los clones proliferan rápidamente, no dominan el entorno del anfitrión. Los análisis revelaron dos formas distintas en que los clones evolucionan y tienen éxito. Uno de ellos es la separación de nichos: los descendientes de la misma cepa bacteriana, o clados, tienen que competir por los mismos recursos. Como resultado, se dispersan y encuentran hábitats separados.

En segundo lugar, los investigadores encontraron evidencia de que la evolución de los patógenos está determinada por un proceso llamado selección dependiente de frecuencia negativa (NFDS), que naturalmente limita el tamaño de la población bacteriana. Esa idea fue sugerida en un trabajo anterior por el coautor del estudio Jukka Corander, PhD, bioestadístico de la Universidad de Oslo en Noruega y del Instituto Wellcome Sanger en el Reino Unido. Corander y sus colegas utilizaron inteligencia artificial para desarrollar una técnica de inferencia, utilizada en el estudio actual, que hizo posible ajustar los datos de la población bacteriana al modelo NFDS. (Los investigadores han hecho que la técnica esté disponible gratuitamente a través de una plataforma de software de código abierto en http: // www. Elfi. Ai).

En general, E. coli la supervivencia parece priorizar la amplitud sobre la profundidad, dijo el microbiólogo Alan McNally, PhD, de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, quien codirigió el estudio.

"Pueden emerger muy rápidamente y extenderse por todo el mundo muy rápidamente, pero la selección que los corta evitará que se vuelvan completamente dominantes y superen el espacio de todos los demás E. coli", dijo McNally." Nunca hay ningún beneficio en que ninguno de estos clones resistentes a los medicamentos se vuelva completamente dominante y se apodere del espacio de todos los demás E. coli."

Ese acto de equilibrio evolutivo sugiere que los investigadores deberían pensar en cuán diferentes E. coli los clones viven juntos en el mismo entorno, o lo que McNally llama "la ecología de los insectos".

"No sabemos lo suficiente sobre la ecología bacteriana", dijo. "A una E. coli bacteria, el intestino humano es vasto. Es enorme. La comprensión de cuánto contacto tienen estos diferentes clones entre sí es algo que creo que realmente tenemos que estudiar ".

los mBio El estudio se centra en un E. coli clon llamado ST131, pero McNally dijo que los hallazgos pueden extenderse a otros. "Estoy 100 por ciento seguro de que esto es aplicable a otros linajes de E. coli", dijo. Junto con colaboradores en China, McNally ha estado estudiando los genomas de nuevos E. coli linajes que están surgiendo en Asia y descubrieron que son muy similares a ST131. "Lo que no sabemos si es aplicable a otras bacterias multirresistentes".

El siguiente paso, dijo McNally, es comprender mejor la interconexión de las bacterias en el entorno de su hogar. "¿Por qué los medicamentos resistentes E. coli tan rápida y fácilmente superan a los E. coli que vive en sus entrañas ", preguntó." Esa es la clave que vamos a perseguir ".

La Sociedad Estadounidense de Microbiología es la sociedad de ciencias biológicas más grande, compuesta por más de 32.000 científicos y profesionales de la salud. La misión de ASM es promover y hacer avanzar las ciencias microbianas.

La MAPE promueve las ciencias microbianas a través de conferencias, publicaciones, certificaciones y oportunidades educativas. Mejora la capacidad de los laboratorios en todo el mundo mediante capacitación y recursos. Proporciona una red para científicos del ámbito académico, industrial y clínico. Además, la MAPE promueve una comprensión más profunda de las ciencias microbianas para diversas audiencias.

Descargo de responsabilidad: AAAS y EurekAlert! no son responsables de la precisión de los comunicados de prensa publicados en EurekAlert. por las instituciones contribuyentes o para el uso de cualquier información a través del sistema EurekAlert.


Cómo la E. coli resistente a los medicamentos tiene éxito como amenaza para la salud pública

Washington, DC - 23 de abril de 2019 - En un estudio publicado esta semana, un equipo internacional de investigadores realizó análisis de alta resolución de más de 850 genomas resistentes a los fármacos para identificar las estrategias de supervivencia empleadas por los clones de Escherichia coli resistentes a los fármacos. La investigación se publica en mBio, una revista de acceso abierto de la Sociedad Estadounidense de Microbiología.

En los últimos años, la aparición y propagación de multirresistentes E. coli han alimentado las preocupaciones sobre las pandemias que esperan suceder. Y por una buena razón: E. coli los clones que son patógenos fuera del intestino pueden causar infecciones peligrosas en la sangre, el tracto urinario y otros lugares. Desarrollar nuevas formas de prevenir la evolución y la propagación de patógenos resistentes a múltiples fármacos requerirá una mejor comprensión de por qué tienen tanto éxito en primer lugar.

En particular, los investigadores encontraron que a pesar de que las poblaciones de E. coli los clones proliferan rápidamente, no dominan el entorno del anfitrión. Los análisis revelaron dos formas distintas en que los clones evolucionan y tienen éxito. Uno de ellos es la separación de nichos: los descendientes de la misma cepa bacteriana, o clados, tienen que competir por los mismos recursos. Como resultado, se dispersan y encuentran hábitats separados.

En segundo lugar, los investigadores encontraron evidencia de que la evolución de los patógenos está determinada por un proceso llamado selección dependiente de frecuencia negativa (NFDS), que naturalmente limita el tamaño de la población bacteriana. Esa idea fue sugerida en un trabajo anterior por el coautor del estudio Jukka Corander, PhD, bioestadístico de la Universidad de Oslo en Noruega y del Instituto Wellcome Sanger en el Reino Unido. Corander y sus colegas utilizaron inteligencia artificial para desarrollar una técnica de inferencia, utilizada en el estudio actual, que hizo posible ajustar los datos de la población bacteriana al modelo NFDS. (Los investigadores han hecho que la técnica esté disponible gratuitamente a través de una plataforma de software de código abierto en http: // www. Elfi. Ai).

En general, E. coli la supervivencia parece priorizar la amplitud sobre la profundidad, dijo el microbiólogo Alan McNally, PhD, de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido, quien codirigió el estudio.

"Pueden emerger muy rápidamente y extenderse por todo el mundo muy rápidamente, pero la selección que los corta evitará que se vuelvan completamente dominantes y superen el espacio de todos los demás E. coli", dijo McNally." Nunca hay ningún beneficio en que ninguno de estos clones resistentes a los medicamentos se vuelva completamente dominante y se apodere del espacio de todos los demás E. coli."

Ese acto de equilibrio evolutivo sugiere que los investigadores deberían pensar en cuán diferentes E. coli los clones viven juntos en el mismo entorno, o lo que McNally llama "la ecología de los insectos".

"No sabemos lo suficiente sobre la ecología bacteriana", dijo. "A una E. coli bacteria, el intestino humano es vasto. Es enorme. La comprensión de cuánto contacto tienen estos diferentes clones entre sí es algo que creo que realmente tenemos que estudiar ".

los mBio El estudio se centra en un E. coli clon llamado ST131, pero McNally dijo que los hallazgos pueden extenderse a otros. "Estoy 100 por ciento seguro de que esto es aplicable a otros linajes de E. coli", dijo. Junto con colaboradores en China, McNally ha estado estudiando los genomas de nuevos E. coli linajes que están surgiendo en Asia y descubrieron que son muy similares a ST131. "Lo que no sabemos si es aplicable a otras bacterias multirresistentes".

El siguiente paso, dijo McNally, es comprender mejor la interconexión de las bacterias en el entorno de su hogar. "¿Por qué los medicamentos resistentes E. coli tan fácil y rápidamente superar a los E. coli que vive en sus entrañas ", preguntó." Esa es la clave que vamos a perseguir ".

La Sociedad Estadounidense de Microbiología es la sociedad de ciencias biológicas más grande, compuesta por más de 32.000 científicos y profesionales de la salud. La misión de ASM es promover y hacer avanzar las ciencias microbianas.

La MAPE promueve las ciencias microbianas a través de conferencias, publicaciones, certificaciones y oportunidades educativas. Mejora la capacidad de los laboratorios en todo el mundo mediante capacitación y recursos. Proporciona una red para científicos del ámbito académico, industrial y clínico. Además, la MAPE promueve una comprensión más profunda de las ciencias microbianas para diversas audiencias.

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Cómo funcionan las células de E. coli en el intestino humano

El biólogo celular y molecular Ken Campellone ha descubierto un factor clave en cómo la E. coli dañina afecta los intestinos de las personas.

Una imagen de microscopio electrónico de barrido del pedestal formado por E. coli dañina en el intestino grueso humano. (Foto de Ken Campellone / UConn)

Ken Campellone, profesor asistente de biología celular y molecular en la Facultad de Artes y Ciencias Liberales, en su laboratorio en Beach Hall. (Foto de Christine Buckley / UConn)

La bacteria Escherichia coli, comúnmente conocido como E. coli, tiene una reputación engañosa. Los científicos nos dicen que la mayoría de las cepas del microbio viven pacíficamente en nuestras tripas o en las tripas de otros mamíferos, masticando trozos de comida, sin causar daño o incluso generando beneficios para sus anfitriones.

Pero las imágenes grotescas de E. coli Las infecciones cuentan una historia diferente: después de ingerir alimentos contaminados con cepas patógenas, las personas pueden experimentar vómitos, diarrea y disentería. Y en casos raros, la bacteria puede provocar insuficiencia renal e incluso la muerte.

Ken Campellone, profesor asistente de biología celular y molecular en la Facultad de Artes y Ciencias Liberales, quiere comprender cómo estas bacterias pueden desempeñar papeles tan diferentes. Al centrarse en las interacciones entre uno de los más mortíferos E. coli cepas y las células del intestino humano, está aprendiendo no solo cómo funcionan las bacterias, sino también cómo funcionan nuestras propias células.

Recientemente, Campellone descubrió una proteína particular en las células del intestino grueso humano que es absorbida por E. coli células y ayuda a unir la bacteria a la pared intestinal.

“Los patógenos han encontrado formas realmente inteligentes de hacerse cargo de los procesos normales de nuestras células”, dice. "A menudo, ellos saben más sobre nuestras propias células que nosotros, y es realmente intrigante".

La cepa de E. coli que los estudios de Campellone pertenecen a un grupo de bacterias llamadas enterohemorrágicas E. coli, o EHEC, que a menudo es noticia internacional cuando las personas comen carne o verduras contaminadas. En 2011, un brote de una cepa hemorrágica en Alemania infectó a más de 3.700 personas y mató a 45. Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades estiman que ocurren alrededor de 75.000 infecciones cada año en los Estados Unidos.

La razón de este alto nivel de virulencia, dice Campellone, es una serie de adquisiciones genéticas de las bacterias dañinas. Los científicos han secuenciado varios tipos de E. coli, y han encontrado más de 1,000 genes en el grupo dañino que no están presentes en el grupo inofensivo o comensal.

Pero, agrega, de los aproximadamente 1.000 genes que se han identificado como patógenos, relativamente pocos se han caracterizado.

"Sabemos muy poco acerca de los genes en EHEC que son diferentes de la versión comensal", dice. "Mi objetivo es comprender mejor cómo un grupo de genes que codifican proteínas llamadas efectores se apoderan de sus objetivos celulares humanos".

En particular, los tipos más peligrosos han adquirido los genes para producir una sustancia venenosa llamada toxina Shiga, que según Campellone puede producir una enfermedad que va desde desagradable hasta potencialmente mortal.

"Si la toxina simplemente se libera en los intestinos, podría tener diarrea y disentería", dice. "Pero si ingresa al torrente sanguíneo, puede causar un daño renal grave y volverse fatal". Además, agrega, actualmente no se conocen medicamentos para el síndrome de envenenamiento de la sangre y los antibióticos solo empeoran los síntomas. Los pacientes solo tienen que esperar y tener esperanza.

La investigación de Campellone se centra en cómo el tráfico y la organización de proteínas controlan la forma de las células. Cuando E. coli se adhieren a la pared intestinal, alteran su organización normal. Lo hacen mediante la entrega de proteínas bacterianas a la célula, que a su vez reclutan proteínas de células intestinales específicas que normalmente dan forma a la célula.

Una imagen de microscopio electrónico de barrido del & # 039pedestal & # 039 formado por E. coli dañina en el intestino grueso humano. (Foto de Ken Campellone / UConn)

En 2004, Campellone fue el primero en identificar una proteína que el E. coli se inyecta en las células intestinales, provocando la producción de una protuberancia carnosa que separa las bacterias adheridas de la pared. Los científicos llaman a este bulto un "pedestal", porque realmente se parece a uno, pero todavía no están seguros de cuál es su propósito.

Campellone también descubrió recientemente una proteína en las células intestinales humanas que interactúa con la proteína bacteriana para ayudar a crear el pedestal. Publicó estos resultados en la edición de junio de 2012 de La revista de química biológica.

El descubrimiento es significativo porque si se desarrolló un fármaco que pudiera bloquear la producción del pedestal, entonces el E. coli podría no adherirse a la pared intestinal, explica. En ese caso, las bacterias podrían simplemente lavarse a través del sistema de una persona, causando poco daño.

En el aula y en su laboratorio, Campellone dice que estos ejemplos de su investigación les dan a sus estudiantes ejemplos de la vida real de la información que aprenden sobre la estructura celular.

“Cuando enseñamos biología celular, mostramos a los estudiantes que mucho de lo que sabemos sobre cómo funcionan normalmente las células humanas proviene del estudio de las infecciones”, dice, señalando que muchas proteínas celulares solo se han descubierto en el contexto de patógenos que intentan explotar ellos.

“Poder hacer preguntas científicas de forma experimental en el laboratorio y luego obtener una respuesta que podría beneficiar a las personas, esa es la parte más emocionante para los estudiantes y para mí”, dice. "Puedes ser la primera persona en el mundo en saber algo".


¿Existe una relación entre E. coli genotipo y capacidad de supervivencia en el medio ambiente abierto?

E. coli está estrechamente relacionado con Salmonela, con ambas especies pertenecientes a la misma familia, el Enterobacterias. Las dos especies se parecen entre sí de muchas maneras, sin embargo, difieren en detalles esenciales. Numerosos datos indican que la complejidad general del genoma en Salmonela es generalmente 10 & # x0201320 & # x00025 mayor que en E. coli. Además, S. typhimurium es 1 & # x020134 & # x00025 más alto en contenido de guanina más citosina que la mayoría E. coli cepas (Ingraham y Neidhardt, 1987). A la luz de estas diferencias, se ha demostrado que la supervivencia de las dos especies en entornos abiertos es diferente. Por lo tanto Salmonela cepas sobrevivieron significativamente más tiempo en hábitats terrestres en la mayoría de los casos en comparación con E. coli cepas (Himathongkham et al., 1999 Franz et al., 2005 Semenov et al., 2007). Tal supervivencia diferencial podría estar relacionada con el tamaño o el contenido del genoma o los patrones de expresión génica entre las dos especies. Supusimos que también el interiorE. coli las diferencias genómicas pueden correlacionarse con tasas de supervivencia divergentes. Por ejemplo, dos E. coli cepas, C278 y C279 (diferentes por secuencia de consenso intergénica repetitiva enterobacteriana (ERIC) -prueba de huellas genómicas basada en PCR), sobrevivieron de manera diferente en suelo modificado con estiércol de cerdo (Topp et al., 2003). Además, la producción basal de toxina (Stx) por el síndrome urémico hemolítico asociado E. coli fue mayor que la de los bovinos E. coli cepas (Ritchie et al., 2003). Además, una reconsideración del trabajo de Kudva. et al. (1998) mostró que a 23 & # x02009 & # x000b0C una cepa de toxina negativa de E. coli O157: H7 creció y sobrevivió mejor que su contraparte con toxina positiva, mientras que no se encontraron tales diferencias a temperaturas más bajas. Esta supervivencia diferencial se encontró entre los días 15 y 55 del experimento (Kudva et al., 1998), lo que confirma una influencia de la composición genética (en este caso, la producción de una toxina) sobre las características de supervivencia. Productor de toxina Shiga E. coli O157: H7, O11: H- y O26: H11 sobrevivieron durante períodos de tiempo comparables (hasta 8 semanas) en heces bovinas, con tasas de descomposición promedio bastante similares a 25 & # x02009 & # x000b0C (Fukushima et al., 1999), aunque a 5 & # x02009 & # x000b0C E. coli O157: H7 fue superior en supervivencia después de las primeras 4 semanas sobre las otras dos cepas. Se mostraron resultados similares para el agua de mar, donde diferentes mutaciones específicas (rpoS, otsa, relA, lugar, ompC y ompF) influenciado significativamente E. coli supervivencia (Rozen y Belkin, 2001). Por lo tanto, las características particulares codificadas por el genoma presente en algunos E. coli Las cepas, pero no en otras (como, por ejemplo, la capacidad de sobrevivir a bajas temperaturas en condiciones de estiércol de vaca), pueden haber sido la causa de esta supervivencia diferencial, ya que la producción de toxinas requiere energía y por lo tanto impone un costo de aptitud.

Las pruebas de aptitud (tasa de crecimiento) realizadas en caldo de soja tríptico rico (TSB), pobre y medio ruminal bajo condiciones cambiantes (aeróbicas versus anaeróbicas) no mostraron diferencias en las tasas de crecimiento entre E. coli O157: H7 y comensalista E. coli son. Sin embargo, ambos tipos de cepas tenían diferentes patrones de utilización del sustrato de carbono (Durso et al., 2004): de 95 fuentes de carbono, 27 fueron oxidadas por el comensal E. coli pero no por E. coli O157: H7 (Durso et al., 2004). Esta diferencia no afectó su crecimiento en medios comunes y tampoco podría estar relacionada con ninguna supervivencia diferencial en el estómago o el estiércol de la vaca. Finalmente, la variabilidad entre 57 comensales y patógenos E. coli Las cepas en la utilización de fuentes de carbono y energía, así como en genes de protección catabólica y de estrés, fueron bajas, pero tal variación se encontró claramente en los diferentes E. coli cepas (Ihssen et al., 2007). Estos resultados sugieren que las funciones que afectan la supervivencia y el crecimiento del microorganismo, como las del metabolismo central que determinan las tasas de crecimiento, en realidad se comparten de manera bastante amplia en todos los países. E. coli cepas, potencialmente produciendo tasas de supervivencia comparables en términos generales en sistemas naturales complejos. Además de eso, en particular E. coli strains may have acquired or evolved specific systems—such as particular iron-acquisition operons ( Figure 3 ), and/or capacities to withstand acidity and/or low temperature—that allow them to be fitter in some secondary habitats. However, these latter contentions need experimental validation.

Given the finding of a 2000-gene common E. coli core genome ( Figure 1 ), which might encompass all genes that are of importance for environmental hardiness and survival (but does not encompass identifiable extraintestinal virulence-specific genes Touchon et al., 2009), we postulate that E. coli genomes, next to providing overall cores that largely determine metabolic flux on the one, and stress tolerance on the other hand, incidentally (per strain or group of strains) provide specific traits that enhance their survival in open habitats.

On another matter, genes involved in virulence are variably present across E. coli strains, and can even be found on plasmids (Tóth et al., 2009), explaining their ready and rapid spread. However, only 131 E. coli O157:H7-specific proteins out of 1632 were associated with virulence, indicating that there is a limit to what genomes comprise. Si E. coli O157:H7 would be transmitted directly from human to human, then the mere presence of the virulence genes—next to the core—might have been sufficient for rapid pathogenesis, resulting in O157:H7 outcompeting commensal E. coli. However, outbreaks of E. coli O157:H7 usually come from infested primary food, suggesting that pathogenic and commensal E. coli differ in other traits that affect their survival, allowing E. coli O157:H7 to be (overall) successful (Durso et al., 2004).


How can E. coli proliferate so rapidly? - biología

© MPI for Infection Biology/ Amina Iftekhar

Colorectal cancer is the second most common cause of cancer-related deaths. Recent research findings indicate that the intestinal microbiome, i.e. the totality of microorganisms living in the intestine, plays an important role in the development and progression of cancer. For example, disturbances in the gut microbiome leads to inflammation, which contributes to cancer development. In addition, certain intestinal bacteria can directly damage the genetic material of intestinal cells with the help of so called genotoxins. They can alter DNA in such a way as to cause mutations that ultimately lead to cancer. A research team led by Thomas F. Meyer, senior professor at Kiel University (CAU), in cooperation with the group of Prof. Heiko Hermeking at the German Cancer Consortium (DKTK), partner site München, has now succeeded in catching a certain bacterium and its genotoxin "in the act". They observed that genotoxic E. coli induces genetic changes that are characteristic of colorectal cancer cells and cause a transformed phenotype &ndash after only a few hours of infection. The team published their results today (Friday, Feb. 12, 2021) in the renowned journal Comunicaciones de la naturaleza.

Escherichia coli bacteria (E. coli) are constitutive members of the human gut microbiota. However, some strains produce a genotoxin called colibactin, which is implicated in the development of colorectal cancer. More than two-thirds of colorectal cancer patients carry colibactin-producing E. coli strains in their gut and the number of carriers is rising in the western world. They are particularly prevalent in colorectal cancers associated with chronic intestinal inflammation such as Crohn's disease and ulcerative colitis. Epidemiological evidence for a link between certain bacterial species and some forms of human cancer abound &ndash but it remains difficult to provide the direct proof required to justify extensive prevention strategies. The first clear evidence of a link between these bacterial strains and colorectal cancer was recently provided by Prof. Meyer, who is also a member of the Cluster of Excellence "Precision Medicine in Chronic Inflammation" (PMI), and his then team from the Max Planck Institute for Infection Biology in Berlin (MPIIB): The researchers identified the genetic signature colibactin leaves in host cells, and showed that it can be detected in a subgroup of colorectal cancers. Since such cancers take many years to develop, the actual process by which a normal cell becomes cancerous remained unclear.

In colon organoids, colibactin leads to uncontrolled proliferation

Now they have gone a significant step further by utilizing organoids to observe transformation itself. This new technology makes it possible to grow normal, primary colon epithelial cells in culture in the form of 3D spheres. These hollow &ldquomini-organs&rdquo are generated by the adult stem cells that drive the rapid turnover of the colonic mucosa. Prior to the advent of this technology, infection experiments in vitro required cell lines, which are already partially transformed and thus unsuitable for recapitulating the very early stages of cancer development. To test whether colibactin-producing E. coli have any lasting effect on host cells, the team infected their organoids for three hours. This was already sufficient to induce changes that are characteristic of colorectal cancer.

"First, the cells began to multiply faster than normal - the best-known characteristic of cancer cells. What was particularly remarkable, however, was that after infection with colibactin-producing E. coli, some cells were able to survive without the growth factor "Wnt" in the culture medium, unlike normal stem cells," explains Prof. Meyer.

Stem cells have the potential to develop into a wide variety of cells in the body. Thus, new specialized intestinal cells are continuously formed from intestinal stem cells, which then take over digestive functions and do not proliferate any further. "In healthy tissue, the growth factor Wnt ensures that intestinal stem cells proliferate, so there are always enough of them to renew intestinal cells. As soon as the stem cells emerge from this Wnt-containing environment, they develop into specialized intestinal cells that do not proliferate further. This mechanism also prevents uncontrolled proliferation of the cells outside the Wnt-containing environment," explains the other lead author PD Dr. Michael Sigal, who recently founded his own research group on the topic at the Charité University Hospital in Berlin. However, if cells manage to proliferate independently of the Wnt signal, uncontrolled growth occurs, a precursor to cancer. The same phenomenon can be observed in the organoid: Organoid cells continuously require Wnt to proliferate without this growth factor, they differentiate out just as they do in the healthy gut, transform into specialized cells, and die a while later. "However, when we transferred the E. coli-infected cultures to Wnt-free medium, a few cells survived and continued to form fast-growing organoids. Such growth factor independence is a typical feature of early colon cancer cells," said Amina Iftekhar, Ph.D., first author of the study and a former doctoral student at MPIIB.

Chromosomal changes possibly lead to cancer development

Next, the researchers analyzed the DNA of the organoid cells after treatment with colbactin-producing E. coli. Sequencing revealed that the genome contained numerous mutations, including large structural changes in the DNA: entire sections of chromosomes, the structures in which DNA strands are organized, had been gained, lost or rearranged. Such large chromosomal restructurings are found in most colon cancer cells. This observation could provide an important explanation for a previously unresolved issue: The specific genetic signature that colibactin leaves in intestinal cells, as Prof. Meyer and his team were able to show in the previous study, is found in only about 10% of colorectal cancer patients. This is despite the fact that most colorectal cancer patients carry colibactin-producing E. coli. "Accordingly, we would actually expect colibactin-induced genetic alterations to be present in significantly more colorectal cancer cases. And this is what our new results now indicate," explains Prof. Meyer.

Colibactin cross-links DNA strands at specific sites. The cell tries to repair this as precisely as possible with its repair mechanisms, and in some cases colibactin leaves its specific fingerprint in the DNA. "However, the precise repair often does not work this is when botched repairs occur, leading to the gross chromosomal changes often observed in colorectal cancer. We suspect that these changes, which result from incorrect repair, form the actual basis for cancer development," Meyer continued.

"We do not yet know which factors influence how the cell tries to eliminate the linkage," says Prof. Meyer. In the future, he would like to investigate this in more detail in his newly founded research group "Infection Oncology" at the Institute for Clinical Molecular Biology at CAU and the University Hospital Schleswig-Holstein, together with the Cluster of Excellence PMI.

Among the genetic alterations induced by the bacteria were deletions of the gene that encodes the microRNA miR-34a and is inducible by p53. The functional consequences of the miR-34a inactivation were studied in a collaboration with the team of Prof. Heiko Hermeking at the Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) and German Cancer Consortium (DKTK), partner site München. The results show, that the loss of miR-34a contributes to the Wnt independence and thereby promotes uncontrolled proliferation of intestinal cells.


Ver el vídeo: Escherichia coli E. coli superb animation! (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Gilberto

    es la excelente opcion

  2. Dagore

    Completamente comparto tu opinión. Pensé bien, está de acuerdo contigo.

  3. Vien

    Pido disculpas, pero es necesario para mí un poco más de información.

  4. Morgan

    Estas equivocado. Estoy seguro. Los invito a discutir. Escribe en PM, hablamos.

  5. Osman

    ¡Eh, abrázame siete!

  6. Doulkree

    Absolutamente de acuerdo contigo. Hay algo en eso, también, me parece una buena idea. Estoy de acuerdo contigo.



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