Informatie

Bacteriële cel probleem


Een microbioloog heeft volgens haar twee nieuwe soorten algen ontdekt. De eerste cel (Organisme 1) lijkt kubisch en is ongeveer 1,5 m lang, 1,5 m breed en 1,5 m diep.

De tweede (Organisme 2) is rechthoekig en 2 m breed bij 5 m lang en 2 m diep.

A. Wat is de oppervlakte/volume verhouding van elk organisme?

B. Welk organisme zal het moeilijker hebben om met de omgeving om te gaan (voedingsstoffen ontvangen, metabolieten uitscheiden enz.)?

C. Hoe zal dit organisme omgaan met het verminderde vermogen om met de omgeving om te gaan?


  1. Wat betreft vraag A.

V van rechthoekig organisme= (V = L x B x D)

Oppervlakte = (L x B)

Ik neem aan dat deze eenvoudige regels nog steeds gelden voor organismen met betrekking tot minuscule metingen.

  1. Ik neem aan voor vraag B., dat het molecuul met de kleinere afmetingen de moeilijkste tijd zal hebben om in wisselwerking te treden met zijn omgeving, vanwege het feit dat het een kleinere omtrek heeft met minder kanalen en poorten.

  2. Ik ben helemaal verloren voor probleem C.

Elk inzicht zou geweldig zijn. Bedankt allemaal !


B. Een hogere oppervlakte-tot-volumeverhouding zorgt voor een betere interface met de omgeving.

C. Om het oppervlak te vergroten, kan de cel processen zoals microvilli vormen.


De bacteriële celenvelop

De celomhulling van bacteriën is een complexe meerlagige structuur die dient om deze organismen te beschermen tegen hun onvoorspelbare en vaak vijandige omgeving. De celenveloppen van de meeste bacteriën vallen in een van de twee hoofdgroepen. Gram-negatieve bacteriën zijn omgeven door een dunne peptidoglycaancelwand, die zelf is omgeven door een buitenmembraan dat lipopolysaccharide bevat. Gram-positieve bacteriën missen een buitenmembraan, maar zijn omgeven door lagen peptidoglycaan die vele malen dikker zijn dan in de gramnegatieven wordt aangetroffen. Door deze lagen peptidoglycaan lopen lange anionische polymeren, teichoïnezuren genaamd. De samenstelling en organisatie van deze enveloplagen en recente inzichten in de mechanismen van celenvelopassemblage worden besproken.

Figuren

Transenvelopmachines in de Gram-negatieve...

Transenvelopmachines in de Gram-negatieve celenvelop. De AcrA/B-eiwitten samen met TolC…

De cellulaire machines die nodig zijn voor…

De cellulaire machines die nodig zijn voor OM-biogenese. Het Lpt traject, samen met MsbA,…

Afbeelding van Gram-positieve en Gram-negatieve...

Afbeelding van Gram-positieve en Gram-negatieve celenveloppen: CAP = covalent gehechte proteïne IMP,...


Waarom het bestuderen van bacteriën belangrijk is

Ik heb de laatste tijd veel nagedacht over hoe de hulpmiddelen die we in ons werk gebruiken de afgelopen decennia zo dramatisch zijn verbeterd en hoe dit grotendeels te danken is aan de vaak verguisde studie van microben. Hoewel iedereen achter het bestuderen van bacteriën kan staan ​​die levensbedreigende ziekten zoals buiktyfus en cholera veroorzaken, denk ik dat het vaak moeilijker is om mensen te overtuigen van de waarde van het bestuderen van gewone en soms obscure bacteriën die niet direct van invloed zijn op de menselijke gezondheid. In de loop der jaren hebben dergelijke onderzoeken echter een revolutie teweeggebracht in veel aspecten van ons leven. Ze hebben dit gedaan door de biomoleculen die in deze onderzoeken zijn geïdentificeerd aan te passen om hulpmiddelen te produceren die nu onmisbaar zijn, niet alleen voor onderzoekers zoals ik die proberen te begrijpen hoe genen werken en wat er met mensen gebeurt als deze genen fout gaan, maar ook voor epidemiologen, artsen, archeologen, historici, forensische wetenschappers en boeren. In het proces hebben deze tools de Biotech-industrie tot een miljardenbedrijf gemaakt.

Thermofiele bacteriën in Yellowstone National Park Fotograaf onbekend 1966

In de jaren tachtig, toen ik begon met afstuderen, maakte het vakgebied van de moleculaire biologie een verbazingwekkende groei door. Uit onderzoek aan soms obscure bacteriën kwamen drie hulpmiddelen naar voren die die groei mogelijk maakten: restrictie-enzymen, dit zijn bacteriële eiwitten die DNA op zeer specifieke plaatsen kunnen knippen T4 DNA-ligase, een eiwit gemaakt van een bacterieel virus, waarmee stukjes van DNA samen en plasmiden, cirkels van DNA die in bacteriën repliceren en die kunnen worden gemaakt om een ​​eiwit "payload" te dragen. Samen stelden deze tools onderzoekers in staat om grote hoeveelheden bio-identieke versies van menselijke eiwitten te maken, zoals insuline en menselijke stollingsfactor VIII. Deze vooruitgang veranderde de behandeling van ziekten zoals diabetes en hemofilie, waardoor medicijnen niet alleen goedkoper maar ook veiliger werden, door het risico te elimineren dat gepaard gaat met het gebruik van menselijke of dierlijke bronnen van eiwitten. De nieuwe tools maakten ook de initiële sequencing van het menselijk genoom mogelijk, de ontwikkeling van nieuwe en betere vaccins, evenals manieren om te testen op infectieuze agentia zoals HIV en Ebola. Ze hebben ons begrip mogelijk gemaakt, op moleculair niveau, van honderden ziekte-relevante eiwitten die op hun beurt rationeel medicijnontwerp mogelijk hebben gemaakt om de menselijke gezondheid te verbeteren.

De studie van bacteriën die in de thermale bronnen van Yellowstone National Park leven door Thomas Brock en Hudson Freeze in de jaren zestig maakte de ontwikkeling mogelijk, decennia later door Kary Mullis, van de techniek die bekend staat als de Polymerase Chain Reaction (PCR). Deze techniek, waarvoor Mullis in 1993 een Nobelprijs kreeg, kan miljoenen kopieën maken van een DNA-sequentie uit verdwijnende kleine hoeveelheden materiaal. PCR heeft een revolutie teweeggebracht in de ziektediagnostiek, waardoor een snellere en nauwkeurigere identificatie van infectieuze agentia mogelijk is dan ooit tevoren. Snelle identificatie is vaak van cruciaal belang om de verspreiding van infectieziekten in te dammen, zoals onlangs is aangetoond door Julie Segre en Tara Palmore hier bij de NIH. PCR heeft bijgedragen aan ons begrip van de menselijke geschiedenis door het mogelijk te maken om DNA te bestuderen van 500 jaar oude menselijke resten gevonden op een Britse parkeerplaats die koning Richard III van Engeland bleek te zijn, en van een klein vingerbeen gevonden in een Siberische grot die bleek te behoren tot een vroeg familielid van mensen, een Denisovan-meisje, dat ongeveer 41.000 jaar geleden leefde. Het wordt gebruikt door dierentuinen om de schadelijke effecten van inteelt te verminderen en door rechtbanken om het vaderschap vast te stellen. Het heeft de forensische wetenschap voor altijd veranderd, waardoor essentiële aanwijzingen kunnen worden verkregen van plaats delict die in het pre-PCR-tijdperk ondenkbaar zouden zijn geweest. Het heeft het sequencen van het hele genoom tot een realiteit gemaakt en het veld van gepersonaliseerde geneeskunde een kickstart gegeven. Deze ontwikkelingen zouden moeilijk, zo niet onmogelijk, voor te stellen zijn geweest, toen het eerste werk aan bacteriën decennia geleden voor het eerst werd gestart.

En net toen je dacht dat er geen verrassingen meer zouden zijn, komt het CRISPR/Cas9-systeem langs. CRISPR, of geclusterde regelmatige korte palindroomherhalingen, maken samen met het bacteriële eiwit Cas9 deel uit van een systeem dat bacteriën beschermt tegen de virussen die ze infecteren. Labs zoals die van Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier, met inbreng van Eugene Koonin van de NIH, hebben het CRISPR/Cas9-systeem aangepast om er een relatief nauwkeurig hulpmiddel van te maken dat kan worden gebruikt om mutaties in het menselijk genoom op te lossen. (In tegenstelling tot restrictie-enzymen die vele duizenden sneden in het menselijk genoom maken, kan CRISPR/Cas9 worden gebruikt om te knippen op een enkele door de gebruiker gespecificeerde locatie). Deze technologie kan ooit worden gebruikt om de kwaliteit van leven van mensen met bepaalde genetische aandoeningen te verbeteren. In combinatie met ons nieuw ontdekte vermogen om volwassen cellen te herprogrammeren en het opkomende gebied van 3D-orgaanprinten (meer over beide misschien in een latere blogpost), kan het op een dag mogelijk zijn om transplantaties uit te voeren met behulp van organen die zijn gegenereerd van de eigen cellen van de patiënt na CRISPR/Cas9-gemedieerde reparatie. Het mooie van deze benadering is dat er geen levenslange immuunsuppressie voor nodig is die bij allogene transplantaties nodig is. Hoewel deze benadering nog niet helemaal klaar is voor prime time, zetten veel laboratoria, waaronder het mijne, het CRISPR/Cas9-systeem aan het werk om patiëntencellen en diermodellen van menselijke ziekten te bestuderen, omdat het belangrijke vragen over de mechanismen van ziektepathologie mogelijk maakt veel sneller en specifieker worden aangepakt dan voorheen mogelijk was. En daarvoor zijn we veel dank verschuldigd aan al die bacteriologen die dit soort technologie mogelijk hebben gemaakt.


22.4 Bacteriële ziekten bij mensen

In deze sectie onderzoek je de volgende vragen:

  • Wat zijn voorbeelden van bacteriële ziekten die historisch belangrijke plagen en epidemieën hebben veroorzaakt?
  • Wat zijn verbanden tussen bacteriën, vooral in biofilms, en door voedsel overgedragen ziekten?
  • Hoe kan het overmatig gebruik van antibiotica "superbugs" zoals MRSA veroorzaken?

Aansluiting voor AP ® Cursussen

Hoewel veel bacteriën een mutualistische relatie hebben met hun gastheren, bestaan ​​andere in parasitaire relaties, die ziekte veroorzaken. Veel bacteriën hebben resistentie tegen antibiotica ontwikkeld en wetenschappers ontwikkelen nieuwe antibiotica die effectief zijn tegen infecties veroorzaakt door opkomende ziekten. Voorbeelden van door bacteriën veroorzaakte infecties zijn longontsteking, pest, tyfus en de ziekte van Lyme. Hoewel sommige ziekten zijn uitgeroeid, levert de opkomst van nieuwe infecties, zoals MRSA, het bewijs dat evolutie een continu proces is. Epidemiologen bestuderen hoe ziekte een populatie treft.

De gepresenteerde informatie en de voorbeelden die worden benadrukt in de sectie ondersteunen concepten die worden beschreven in Big Idea 1 en Big Idea 3 van het AP ® Biology Curriculum Framework. De AP ® Leerdoelen die in het Curriculum Framework worden vermeld, bieden een transparante basis voor de AP ® Biologie-cursus, een op onderzoek gebaseerde laboratoriumervaring, educatieve activiteiten en AP ® -examenvragen. Een leerdoel voegt vereiste inhoud samen met een of meer van de zeven wetenschapspraktijken.

Groot idee 1 Het evolutieproces drijft de diversiteit en eenheid van het leven aan.
Blijvend begrip 1.C Het leven blijft zich ontwikkelen in een veranderende omgeving.
Essentiële kennis 1.C.3 Wetenschappelijk bewijs ondersteunt het idee dat evolutie in alle organismen, inclusief prokaryoten, blijft plaatsvinden.
wetenschap praktijk 1.2 De student kan representaties en modellen van natuurlijke of kunstmatige fenomenen en systemen in het domein beschrijven.
Leerdoel 1.25 De student kan een model beschrijven dat de evolutie binnen een populatie weergeeft.
Essentiële kennis 1.C.3 Wetenschappelijk bewijs ondersteunt het idee dat evolutie in alle organismen, inclusief prokaryoten, blijft plaatsvinden.
wetenschap praktijk 5.3 De student kan het bewijs geleverd door datasets evalueren met betrekking tot een bepaalde wetenschappelijke vraag.
Leerdoel 1.26 De student kan gegeven datasets evalueren die evolutie illustreren als een continu proces.
Groot idee 3 Levende systemen slaan informatie op, halen deze op, verzenden en reageren op informatie die essentieel is voor levensprocessen.
Blijvend begrip 2.C Organismen gebruiken feedbackmechanismen om groei en reproductie te reguleren en om dynamische homeostase te behouden.
Essentiële kennis 3.C.1 Genetische veranderingen die van invloed zijn op fenotypes zijn onderhevig aan selectie.
wetenschap praktijk 6.4 De student kan beweringen en voorspellingen doen over natuurlijke fenomenen op basis van wetenschappelijke theorieën en modellen.
wetenschap praktijk 7.2 De student kan concepten in en over domein(en) verbinden om te generaliseren of te extrapoleren in en/of over blijvende inzichten en/of grote ideeën.
Leerdoel 3.24 De student kan voorspellen hoe een verandering in genotype, uitgedrukt als fenotype, zorgt voor een variatie die onderhevig is aan natuurlijke selectie.

De Science Practice Challenge-vragen bevatten aanvullende testvragen voor dit gedeelte die u zullen helpen bij de voorbereiding op het AP-examen. Deze vragen hebben betrekking op de volgende normen:
[APLO 3.3][APLO 3.27][APLO 2.8][APLO 2.9][APLO 2.24][APLO 4.14][APLO 4.21]

Verwoestende ziektes en plagen die door ziekteverwekkers worden overgedragen, zowel viraal als bacterieel van aard, hebben de mens sinds het begin van de menselijke geschiedenis getroffen. De ware oorzaak van deze ziekten werd destijds niet begrepen en sommige mensen dachten dat ziekten een spirituele straf waren. In de loop van de tijd kwamen mensen tot het besef dat het afzonderen van getroffen personen en het wegdoen van de lijken en persoonlijke bezittingen van slachtoffers van ziekte, hun eigen kansen om ziek te worden, verkleinde.

Epidemiologen bestuderen hoe ziekten een populatie beïnvloeden. Een epidemie is een ziekte die tegelijkertijd voorkomt bij een ongewoon groot aantal individuen in een populatie. EEN pandemie is een wijdverbreide, meestal wereldwijde, epidemie. Een endemische ziekte is een ziekte die constant aanwezig is, meestal met een lage incidentie, in een populatie.

Lange geschiedenis van bacteriële ziekten

Er zijn gegevens over infectieziekten al in 3000 voor Christus. Een aantal significante pandemieën veroorzaakt door bacteriën zijn gedurende honderden jaren gedocumenteerd. Enkele van de meest gedenkwaardige pandemieën leidden tot het verval van steden en naties.

In de 21e eeuw blijven infectieziekten wereldwijd een van de belangrijkste doodsoorzaken, ondanks de vooruitgang die de afgelopen decennia is geboekt in medisch onderzoek en behandelingen. Een ziekte verspreidt zich wanneer de ziekteverwekker die de ziekte veroorzaakt van de ene persoon op de andere wordt overgedragen. Om ziekte te veroorzaken, moet een ziekteverwekker zich in het lichaam van de gastheer kunnen voortplanten en de gastheer op de een of andere manier kunnen beschadigen.

De plaag van Athene

In 430 voor Christus doodde de plaag van Athene een kwart van de Atheense troepen die vochten in de grote Peloponnesische oorlog en verzwakte de overheersing en macht van Athene. De pest trof mensen die in het overbevolkte Athene woonden, evenals troepen aan boord van schepen die moesten terugkeren naar Athene. De bron van de pest is mogelijk recentelijk geïdentificeerd toen onderzoekers van de Universiteit van Athene DNA konden gebruiken van tanden die waren teruggevonden in een massagraf. De wetenschappers identificeerden nucleotidesequenties van een pathogene bacterie, Salmonella enterica serovar Typhi (Figuur 22.20), die buiktyfus veroorzaakt. 3 Deze ziekte komt vaak voor in overbevolkte gebieden en heeft in de loop van de geschiedenis epidemieën veroorzaakt.

Builenpest

Van 541 tot 750, een uitbraak van wat waarschijnlijk een builenpest was (de plaag van Justinianus), elimineerde een kwart tot de helft van de menselijke bevolking in het oostelijke Middellandse Zeegebied. De bevolking in Europa daalde tijdens deze uitbraak met 50 procent. De builenpest zou Europa meer dan eens treffen.

Een van de meest verwoestende pandemieën was de Zwarte Dood (1346 tot 1361) waarvan wordt aangenomen dat het een nieuwe uitbraak van de builenpest was, veroorzaakt door de bacterie Yersinia pestis. Men denkt dat het oorspronkelijk in China is ontstaan ​​en zich verspreidde langs de Zijderoute, een netwerk van handelsroutes over land en over zee, naar het Middellandse Zeegebied en Europa, gedragen door rattenvlooien die leven op zwarte ratten die altijd aanwezig waren op schepen. De Zwarte Dood verminderde de wereldbevolking van naar schatting 450 miljoen tot ongeveer 350 tot 375 miljoen. De builenpest trof Londen halverwege de 17e eeuw opnieuw hard (figuur 22.21). In de moderne tijd komen er wereldwijd elk jaar ongeveer 1.000 tot 3.000 gevallen van pest voor. Hoewel het oplopen van de builenpest vóór antibiotica bijna een zekere dood betekende, reageert de bacterie op verschillende soorten moderne antibiotica en zijn de sterftecijfers door de pest nu erg laag.

Link naar leren

Bekijk een video over het moderne begrip van de Zwarte Dood – de builenpest in Europa in de 14e eeuw.

  1. De aminozuursequentie van eiwitten, geëxtraheerd uit de monsters genomen van skeletten begraven op een begraafplaats uit de 14e eeuw, werd geconstrueerd en vergeleken met die van de moderne stam van de bacterie Y. enterocolitica en vond een goede match.
  2. De genomische sequentie van het DNA, geëxtraheerd uit de monsters genomen van skeletten begraven op een begraafplaats uit de 14e eeuw, werd geconstrueerd en vergeleken met die van de moderne stam van de bacterie Y. enterocolitica en vond een goede match.
  3. De gensequentie van 16S rRNA, geëxtraheerd uit de monsters genomen van skeletten begraven op een begraafplaats uit de 14e eeuw, werd geconstrueerd en vergeleken met die van de moderne stam van de bacterie Y. pestis en vond een goede match.
  4. De genoomsequentie van het DNA, geëxtraheerd uit de monsters genomen van skeletten begraven op een begraafplaats uit de 14e eeuw, werd geconstrueerd en vergeleken met die van de moderne stam van de bacterie Y. pestis en vond een goede match.

Migratie van ziekten naar nieuwe populaties

Door de eeuwen heen hadden Europeanen de neiging om genetische immuniteit te ontwikkelen tegen endemische infectieziekten, maar toen Europese veroveraars het westelijk halfrond bereikten, brachten ze ziekteverwekkende bacteriën en virussen met zich mee, die epidemieën veroorzaakten die de populaties van inheemse Amerikanen, die geen natuurlijke weerstand tegen veel Europese ziekten. Naar schatting stierf tot 90 procent van de inheemse Amerikanen aan infectieziekten na de komst van Europeanen, waardoor de verovering van de Nieuwe Wereld een uitgemaakte zaak was.

Opkomende en opnieuw opkomende ziekten

De verspreiding van een bepaalde ziekte is dynamisch. Daarom kunnen veranderingen in de omgeving, de ziekteverwekker of de gastheerpopulatie een dramatische invloed hebben op de verspreiding van een ziekte. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) is een opkomende ziekte (Figuur 22.22) is er een die voor het eerst in een populatie is verschenen, of die mogelijk eerder heeft bestaan, maar snel toeneemt in incidentie of geografisch bereik. Deze definitie omvat ook opnieuw opduikende ziekten die voorheen onder controle waren. Ongeveer 75 procent van de recent opkomende infectieziekten bij mensen zijn zoönotische ziekten, zoönosen, ziekten die voornamelijk dieren infecteren en op mensen worden overgedragen, sommige zijn van virale oorsprong en sommige zijn van bacteriële oorsprong. Brucellose is een voorbeeld van een prokaryotische zoönose die in sommige regio's opnieuw de kop opsteekt, en necrotiserende fasciitis (algemeen bekend als vleesetende bacteriën) is de afgelopen 80 jaar om onbekende redenen in virulentie toegenomen.

Sommige van de huidige opkomende ziekten zijn niet echt nieuw, maar zijn ziekten die in het verleden catastrofaal waren (Figuur 22.23). Ze verwoestten populaties en sliepen een tijdje, om terug te komen, soms virulenter dan voorheen, zoals het geval was met de builenpest. Andere ziekten, zoals tuberculose, werden nooit uitgeroeid, maar waren in sommige regio's van de wereld onder controle totdat ze terugkeerden, meestal in stedelijke centra met hoge concentraties immuungecompromitteerde mensen. De WHO heeft bepaalde ziekten geïdentificeerd waarvan de wereldwijde heropleving moet worden gecontroleerd. Hiertoe behoren twee virale ziekten (knokkelkoorts en gele koorts) en drie bacteriële ziekten (difterie, cholera en builenpest). De oorlog tegen infectieziekten heeft geen voorzienbaar einde.

Biofilms en ziekten

Bedenk dat biofilms microbiële gemeenschappen zijn die heel moeilijk te vernietigen zijn. Ze zijn verantwoordelijk voor ziekten zoals infecties bij patiënten met cystische fibrose, de veteranenziekte en middenoorontsteking. Ze produceren tandplak en koloniseren katheters, prothesen, transcutane en orthopedische apparaten, contactlenzen en interne apparaten zoals pacemakers. Ze vormen zich ook in open wonden en verbrand weefsel.In zorgomgevingen groeien biofilms op hemodialysemachines, mechanische ventilatoren, shunts en andere medische apparatuur. In feite wordt 65 procent van alle in het ziekenhuis opgelopen infecties (nosocomiale infecties) toegeschreven aan biofilms. Biofilms zijn ook gerelateerd aan ziekten die door voedsel worden opgelopen, omdat ze de oppervlakken van groentebladeren en vlees koloniseren, evenals voedselverwerkende apparatuur die niet voldoende wordt schoongemaakt.

Biofilminfecties ontwikkelen zich soms geleidelijk, ze veroorzaken niet onmiddellijk symptomen. Ze worden zelden opgelost door afweermechanismen van de gastheer. Als een infectie door een biofilm eenmaal is vastgesteld, is het erg moeilijk om uit te roeien, omdat biofilms vaak resistent zijn tegen de meeste methoden die worden gebruikt om microbiële groei te beheersen, inclusief antibiotica. Biofilms reageren slecht of slechts tijdelijk op antibiotica. Er wordt gezegd dat ze tot 1000 keer de antibioticaconcentraties kunnen weerstaan ​​die worden gebruikt om dezelfde bacteriën te doden als ze vrijlevend of planktonisch zijn. Een zo grote dosis antibiotica zou de patiënt schaden. Daarom werken wetenschappers aan nieuwe manieren om van biofilms af te komen.

Antibiotica: staan ​​we voor een crisis?

Het woord antibiotica komt uit het Grieks anti wat betekent "tegen" en bios wat 'leven' betekent. Een antibiotica is een chemische stof, geproduceerd door microben of synthetisch, die vijandig staat tegenover de groei van andere organismen. Het nieuws en de media van vandaag gaan vaak in op zorgen over een antibioticacrisis. Zijn de antibiotica die in het verleden gemakkelijk bacteriële infecties behandelden, verouderd? Zijn er nieuwe "superbacteriën" - bacteriën die zijn geëvolueerd om resistenter te worden tegen ons arsenaal aan antibiotica? Is dit het begin van het einde van antibiotica? Al deze vragen dagen de zorggemeenschap uit.

Een van de belangrijkste oorzaken van resistente bacteriën is het misbruik van antibiotica. Het onvoorzichtig en overmatig gebruik van antibiotica heeft geleid tot de natuurlijke selectie van resistente vormen van bacteriën. Het antibioticum doodt de meeste infecterende bacteriën en daarom blijven alleen de resistente vormen over. Deze resistente vormen reproduceren, wat resulteert in een toename van het aandeel resistente vormen ten opzichte van niet-resistente. Een ander groot misbruik van antibiotica is bij patiënten met verkoudheid of griep, waarvoor antibiotica nutteloos zijn. Een ander probleem is het overmatig gebruik van antibiotica bij de veestapel. Ook het routinematige gebruik van antibiotica in diervoeder bevordert de bacteriële resistentie. In de Verenigde Staten wordt 70 procent van de geproduceerde antibiotica aan dieren gevoerd. Deze antibiotica worden in lage doses aan vee gegeven, waardoor de kans op resistentieontwikkeling wordt gemaximaliseerd, en deze resistente bacteriën worden gemakkelijk overgedragen op de mens.

Link naar leren

Bezoek deze site voor meer informatie over het probleem van routinematige toediening van antibiotica aan vee en antibioticaresistente bacteriën.

  1. De ontwikkeling van antibioticagevoelige bacteriën die op mensen kunnen worden overgedragen, en hun aanwezigheid maakt de behandeling van ziekten met antibiotica (bij dieren of mensen) veel moeilijker.
  2. Ontwikkeling van antibioticaresistente bacteriën die niet op mensen kunnen worden overgedragen, en hun aanwezigheid maakt de behandeling van ziekten met antibiotica (bij dieren of mensen) veel moeilijker.
  3. De ontwikkeling van antibioticaresistente bacteriën die op mensen kunnen worden overgedragen, en hun aanwezigheid maakt de behandeling van ziekten met antibiotica (bij dieren of mensen) veel moeilijker.
  4. Ontwikkeling van antibioticagevoelige bacteriën die niet op mensen kunnen worden overgedragen, en hun aanwezigheid maakt de behandeling van ziekten met antibiotica (bij dieren of mensen) veel moeilijker.

Een van de Superbugs: MRSA

Het onvoorzichtige gebruik van antibiotica heeft de weg vrijgemaakt voor bacteriën om populaties van resistente vormen uit te breiden. Bijvoorbeeld, Staphylococcus aureus, vaak "stafylokok" genoemd, is een veel voorkomende bacterie die in het menselijk lichaam kan leven en meestal gemakkelijk met antibiotica kan worden behandeld. Een zeer gevaarlijke soort, maar meticilline-resistent Staphylococcus aureus (MRSA) heeft de afgelopen jaren het nieuws gehaald (Figuur 22.24). Deze stam is resistent tegen veel veelgebruikte antibiotica, waaronder methicilline, amoxicilline, penicilline en oxacilline. MRSA kan huidinfecties veroorzaken, maar het kan ook de bloedbaan, longen, urinewegen of letselplaatsen infecteren. Hoewel MRSA-infecties vaak voorkomen bij mensen in zorginstellingen, zijn ze ook voorgekomen bij gezonde mensen die niet in het ziekenhuis zijn opgenomen, maar die in een krappe populatie wonen of werken (zoals militairen en gevangenen). Onderzoekers hebben hun bezorgdheid geuit over de manier waarop deze laatste bron van MRSA zich richt op een veel jongere populatie dan degenen die in zorginstellingen verblijven. Het tijdschrift van de American Medical Association rapporteerde dat onder MRSA-patiënten in zorginstellingen de gemiddelde leeftijd 68 is, terwijl mensen met “gemeenschapsgerelateerde MRSA” (CA-MRSA) een gemiddelde leeftijd hebben van 23. 4

Samenvattend, de medische gemeenschap wordt geconfronteerd met een antibioticacrisis. Sommige wetenschappers zijn van mening dat we, na jarenlang door antibiotica te zijn beschermd tegen bacteriële infecties, mogelijk terugkeren naar een tijd waarin een eenvoudige bacteriële infectie de menselijke bevolking opnieuw zou kunnen verwoesten. Onderzoekers ontwikkelen nieuwe antibiotica, maar het kost vele jaren van onderzoek en klinische proeven, plus financiële investeringen in de miljoenen dollars, om een ​​effectief en goedgekeurd medicijn te genereren.

Door voedsel overgedragen ziekten

Prokaryoten zijn overal: ze koloniseren gemakkelijk het oppervlak van elk type materiaal, en voedsel is geen uitzondering. Meestal koloniseren prokaryoten voedsel en voedselverwerkende apparatuur in de vorm van een biofilm. Uitbraken van bacteriële infecties die verband houden met voedselconsumptie komen vaak voor. EEN door voedsel overgedragen ziekte (in de volksmond "voedselvergiftiging" genoemd) is een ziekte die het gevolg is van de consumptie van pathogene bacteriën, virussen of andere parasieten die voedsel besmetten. Hoewel de Verenigde Staten een van de veiligste voedselvoorraden ter wereld hebben, hebben de Amerikaanse Centers for Disease Control and Prevention (CDC) gemeld dat “76 miljoen mensen ziek worden, meer dan 300.000 in het ziekenhuis worden opgenomen en 5.000 Amerikanen elk jaar sterven aan door voedsel overgedragen ziekte."

De kenmerken van door voedsel overgedragen ziekten zijn in de loop van de tijd veranderd. In het verleden was het relatief gebruikelijk om te horen over sporadische gevallen van botulisme, de potentieel dodelijke ziekte die wordt veroorzaakt door een toxine van de anaërobe bacterie Clostridium botulinum. Enkele van de meest voorkomende bronnen voor deze bacterie waren niet-zuur ingeblikt voedsel, zelfgemaakte augurken en verwerkt vlees en worstjes. Het blik, de pot of de verpakking creëerde een geschikte anaërobe omgeving waarin: Clostridium zou kunnen groeien. Goede sterilisatie- en conservenprocedures hebben de incidentie van deze ziekte verminderd.

Hoewel mensen de neiging hebben om door voedsel overgedragen ziekten te beschouwen als geassocieerd met dierlijk voedsel, zijn de meeste gevallen nu gekoppeld aan producten. Er zijn ernstige, productgerelateerde uitbraken geweest in verband met rauwe spinazie in de Verenigde Staten en met groentespruiten in Duitsland, en dit soort uitbraken komen vaker voor. De uitbraak van rauwe spinazie in 2006 werd veroorzaakt door de bacterie E coli serotype O157:H7. EEN serotype is een bacteriestam die een reeks vergelijkbare antigenen op het celoppervlak draagt, en er zijn vaak veel verschillende serotypen van een bacteriesoort. Meest E coli zijn niet bijzonder gevaarlijk voor de mens, maar serotype O157:H7 kan bloederige diarree veroorzaken en is mogelijk dodelijk.

Alle soorten voedsel kunnen mogelijk besmet zijn met bacteriën. Recente uitbraken van Salmonella gerapporteerd door de CDC kwam voor in voedingsmiddelen die zo divers zijn als pindakaas, alfalfaspruiten en eieren. Een dodelijke uitbraak in Duitsland in 2010 werd veroorzaakt door: E coli besmetting van groentespruiten (Figuur 22.25). De stam die de uitbraak veroorzaakte, bleek een nieuw serotype te zijn dat niet eerder bij andere uitbraken was betrokken, wat erop wijst dat E coli evolueert continu.

Carrièreverbinding

Epidemioloog

Epidemiologie is de studie van het voorkomen, de verspreiding en de determinanten van gezondheid en ziekte in een populatie. Het is dus een onderdeel van de volksgezondheid. Een epidemioloog bestudeert de frequentie en verspreiding van ziekten binnen menselijke populaties en omgevingen.

Epidemiologen verzamelen gegevens over een bepaalde ziekte en volgen de verspreiding ervan om de oorspronkelijke wijze van overdracht te identificeren. Ze werken soms nauw samen met historici om te proberen te begrijpen hoe een ziekte zich geografisch en in de loop van de tijd heeft ontwikkeld, waarbij ze de natuurlijke geschiedenis van ziekteverwekkers volgen. Ze verzamelen informatie uit klinische dossiers, interviews met patiënten, surveillance en alle andere beschikbare middelen. Die informatie wordt gebruikt om strategieën te ontwikkelen, zoals vaccinaties (figuur 22.26), en om volksgezondheidsbeleid te ontwerpen om de incidentie van een ziekte te verminderen of de verspreiding ervan te voorkomen. Epidemiologen voeren ook snel onderzoek uit in geval van een uitbraak om onmiddellijke maatregelen aan te bevelen om deze te bestrijden.


Quorum sensing: cel-tot-cel communicatie in bacteriën

Bacteriën communiceren met elkaar via chemische signaalmoleculen. Net als bij hogere organismen is de informatie die door deze moleculen wordt geleverd van cruciaal belang voor het synchroniseren van de activiteiten van grote groepen cellen. Bij bacteriën omvat chemische communicatie het produceren, vrijgeven, detecteren en reageren op kleine hormoonachtige moleculen die auto-inducers worden genoemd. Dit proces, quorum sensing genoemd, stelt bacteriën in staat om de omgeving te controleren op andere bacteriën en om het gedrag op populatiebrede schaal te veranderen als reactie op veranderingen in het aantal en/of de soorten die in een gemeenschap aanwezig zijn. De meeste quorum-sensing-gecontroleerde processen zijn onproductief wanneer ze worden uitgevoerd door een individuele bacterie die alleen werkt, maar worden heilzaam wanneer ze gelijktijdig door een groot aantal cellen worden uitgevoerd. Quorum sensing verwart dus het onderscheid tussen prokaryoten en eukaryoten omdat het bacteriën in staat stelt om als meercellige organismen te werken. Deze review richt zich op de architecturen van bacteriële chemische communicatienetwerken, hoe chemische informatie wordt geïntegreerd, verwerkt en getransduceerd om genexpressie te regelen, hoe intra- en interspecies cel-celcommunicatie wordt bereikt en de intrigerende mogelijkheid van prokaryote-eukaryote kruiscommunicatie.


Genetische recombinatie in bacteriën: 9 dingen om te weten

Dit artikel werpt licht op de negen dingen die je moet weten over genetische recombinatie in bacteriën.

De negen dingen zijn: (1) Recombinatie van genetische materialen (2) Transformatie (3) Transductie (4) Conjugatie (5) Mechanisme van genetische recombinatie in bacteriën (6) Antibioticaresistentie (7) Faaggenoom en recombinatie (8) Genetische kaarten van virussen en (9) fijne structuur van rII-locus in T4-faag.

Ding # 1. Recombinatie van genetische materialen:

Net als meiotische kruising bij eukaryoten, vormde genetische recombinatie in bacteriën de basis voor de ontwikkeling van een methodologie voor het in kaart brengen van chromosomen. De term genetische recombinatie, zoals toegepast op bacteriën en bacteriofagen, leidt tot de vervanging van een of meer genen die aanwezig zijn in één stam door die van genetisch verschillende stammen. Dit verschilt enigszins van ons gebruik van genetische recombinatie in eukaryoten.

In eukaryoten beschrijft de term oversteken die resulteert in wederzijdse uitwisselingsgebeurtenissen. Het algehele effect is hetzelfde in zowel het systeem als de genetische informatie die wordt overgedragen van het ene chromosoom naar het andere, wat resulteert in een veranderd genotype. In bacteriën zijn er hoofdzakelijk drie fenomenen die verantwoordelijk zijn voor de overdracht van genetische informatie: transformatie, transductie en conjugatie.

Ding # 2. Transformatie:

Transformatie werd voor het eerst ontdekt bij Streptococcus pneumonia en leidde tot de ontdekking dat DNA de substantie van de genen is. Het pad dat leidde naar deze historische ontdekking begon in 1928 met het werk van een Engelse bacterioloog, Fred Griffith. Nu wordt transformatie ook gezien in andere bacteriële geslachten zoals hemofilie, Neisseria, Bacillus en Staphylococcus.

Bij transformatie worden stukjes DNA die vrijkomen uit donorbacteriën direct uit de extracellulaire omgeving opgenomen door ontvangende bacteriën. Dit leidt tot een stabiele genetische verandering in de ontvangende cel. Er wordt aangenomen dat DNA-invoer plaatsvindt op het beperkte aantal plaatsen op het oppervlak van de bacteriële cel.

Passage door de celwand en het membraan is een actief proces dat energie en een specifiek transportmolecuul vereist. Tijdens het proces van binnenkomst wordt een van de twee strengen van het binnendringende DNA-molecuul verteerd door nucleasen, waardoor er slechts een enkele streng overblijft om deel te nemen aan transformatie. De actieve enkele streng komt overeen met het complementaire gebied van het bacteriële DNA van de gastheer. Dit proces omvat verschillende enzymen en het ingevoegde DNA-segment vervangt zijn tegenhanger van het gastheergenoom, dat wordt uitgesneden en afgebroken.

Het vermogen van bacteriën om extracellulair DNA op te nemen en getransformeerd te worden, wordt transformatie genoemd. Deze competentie varieert met de fysiologische toestand van de bacteriën. Veel bacteriën die normaal gesproken niet competent zijn, kunnen DNA opnemen door laboratoriummanipulaties, zoals calciumshock of blootstelling aan een elektrische hoogspanningspuls (elektroporatie). Bij sommige bacteriën (waaronder Haemophilus en Neisseria) hangt de DNA-opname af van de aanwezigheid van specifieke oligonucleotidesequenties in het transformerende DNA, maar in andere (waaronder Streptococcus pneumoniae) is de DNA-opname niet sequentiespecifiek.

Competente bacteriën kunnen ook intact bacteriofaag-DNA (transfectie) of plasmide-DNA opnemen, dat zich vervolgens kan repliceren als extra-chromosomale genetische elementen in de ontvangende bacteriën. Daarentegen kan een stukje chromosomaal DNA van een donorbacterie zich gewoonlijk niet repliceren in de ontvangende bacterie, tenzij het door recombinatie onderdeel wordt van een replicon. Historisch gezien leverde de karakterisering van het 'transformerende principe' van S. pneumoniae het eerste directe bewijs van DNA als genetisch materiaal.

Om de recombinatie te detecteren, moet het transformerende DNA afkomstig zijn van de verschillende bacteriestammen, die enige genetische variatie bevatten. Zodra het in het chromosoom is geïntegreerd, bevat het recombinante gebied één gastheerstreng en één mutante streng. Omdat deze strengen uit verschillende bronnen komen, wordt dit helixvormige gebied een hetero-duplex genoemd. Na één replicatieronde wordt één chromosoom hersteld in zijn oorspronkelijke configuratie, identiek aan die van de ontvangende cel, en de andere bevat het mutante gen. Na celdeling worden één niet-mutante (ongetransformeerde) cel en één mutante (getransformeerde) cel geproduceerd.

Om DNA effectief te laten zijn bij transformatie, moet het tussen 10.000 en 20.000 nucleotideparen bevatten, ongeveer 1/200 van het E. coli-chromosoom. Deze grootte is voldoende om voor meerdere genen te coderen. Genen die naast of heel dicht bij elkaar op de bacteriële chromosomen liggen, kunnen op een enkel DNA-segment van deze grootte worden gedragen. Vanwege dit feit kan een enkele transformatiegebeurtenis resulteren in de gelijktijdige transformatie van meerdere genen tegelijk.

Genen die dicht genoeg bij elkaar liggen om gecotransformeerd te worden, zouden gekoppeld zijn. Hier verwijst de koppeling naar de nabijheid van de genen. Gekoppelde bacteriële genen werden voor het eerst aangetoond in 1954 tijdens studies van Pneumococcus door Rolin Hotchkiss en Julius Marmur. Ze onderzochten transformatie op de streptomycine en mannitol loci.

Ontvangende cellen waren gevoelig voor streptomycine (str s ) en konden geen mannitol fermenteren (mtl '8211). Cellen die streptomycineresistent waren (str ) en mannitol (mtl+) konden fermenteren, werden gebruikt om het transformerende DNA af te leiden. Als de str- en mtl-genen niet gekoppeld zijn, zal gelijktijdige transformatie voor beide genen plaatsvinden met zo'n minimale waarschijnlijkheid dat deze bijna niet detecteerbaar is.

Er trad echter een lage maar detecteerbare snelheid van co-transformatie op. Dit suggereert dat de genen die verantwoordelijk zijn voor deze karakters met elkaar verbonden zijn. Naast het vaststellen van de koppelingsrelaties, kunnen relatieve mapping-afstanden tussen gekoppelde genen ook worden bepaald uit de recombinatiegegevens die worden geleverd door transformatie-experimenten.

Ding # 3. Transductie:

Bij transductie fungeren bacteriofagen als vectoren om door infectie DNA van donorbacteriën in ontvangende bacteriën te introduceren. Voor sommige fagen, gegeneraliseerde transducerende fagen genoemd, is een klein deel van de virionen die tijdens lytische groei worden geproduceerd afwijkend en bevat het een willekeurig fragment van het bacteriële genoom in plaats van faag-DNA. Elke individuele transducerende faag draagt ​​een andere reeks nauw verbonden genen, die een klein segment van het bacteriële genoom vertegenwoordigen.

Transductie die wordt gemedieerd door populaties van dergelijke fagen wordt gegeneraliseerde transductie genoemd, omdat elk deel van het bacteriële genoom ongeveer dezelfde kans heeft om van donor- naar ontvangende bacteriën te worden overgedragen. Wanneer een gegeneraliseerde transducerende faag een ontvangende cel infecteert, vindt expressie van de overgedragen donorgenen plaats.

Abortieve transductie verwijst naar de tijdelijke expressie van een of meer donorgenen zonder vorming van recombinant nageslacht, terwijl volledige transductie wordt gekenmerkt door de productie van stabiele recombinanten die donorgenen erven en het vermogen behouden om ze tot expressie te brengen.

Bij mislukte transductie repliceert het donor-DNA-fragment niet, en van de nakomelingen van de oorspronkelijke transductant bevat slechts één bacterie het donor-DNA-fragment. In alle andere nakomelingen worden de donorgenproducten progressief verdund na elke generatie van bacteriegroei totdat het donorfenotype niet langer tot expressie kan worden gebracht.

Op selectief medium waarop alleen bacteriën met het donorfenotype kunnen groeien, produceren mislukte transductanten minuscule kolonies die gemakkelijk kunnen worden onderscheiden van kolonies van stabiele transductanten. De frequentie van abortieve transductie is typisch één tot twee ordes van grootte groter dan de frequentie van gegeneraliseerde transductie, wat aangeeft dat de meeste cellen die zijn geïnfecteerd door gegeneraliseerde transducerende fagen geen recombinant nageslacht produceren.

Gespecialiseerde transductie verschilt op verschillende manieren van gegeneraliseerde transductie. Het wordt alleen gemedieerd door specifieke gematigde fagen en slechts een paar specifieke donorgenen kunnen worden overgedragen naar ontvangende bacteriën. Gespecialiseerde transducerende fagen worden alleen gevormd wanneer lysogene donorbacteriën de lytische cyclus binnengaan en faagnageslacht vrijgeven.

De gespecialiseerde transducerende fagen zijn zeldzame recombinanten die een deel van het normale faaggenoom missen en een deel van het bacteriële chromosoom bevatten dat zich naast de pro-faagaanhechtingsplaats bevindt. Veel gespecialiseerde transducerende fagen zijn defect en kunnen de lytische cyclus van faaggroei in geïnfecteerde cellen niet voltooien tenzij er helperfagen aanwezig zijn om ontbrekende faagfuncties te verschaffen.

Gespecialiseerde transductie is het resultaat van lysogenisatie van de ontvangende bacterie door de gespecialiseerde transducerende faag en expressie van de donorgenen. Faagconversie en gespecialiseerde transductie hebben veel overeenkomsten, maar de oorsprong van de converterende genen in gematigde converterende fagen is onbekend.

Enkele van de belangrijke transductiefagen die aanwezig zijn in bacteriën zijn als volgt:

1. Zinder en Lederberg-experiment:

Wanneer bepaalde provirussen in virulente virussen veranderen, veroorzaken ze lysis van bacteriële cellen, en tijdens dit kunnen ze segmenten van bacterieel DNA met zich meedragen. Als dergelijke virusdeeltjes die een DNA-segment van de ene bacterie dragen, een andere bacterie infecteren, dan kan de tweede bacterie enkele eigenschappen van de eerste krijgen door overdracht van genetisch materiaal via het virus. Dit proces wordt transductie genoemd en werd voor het eerst ontdekt in 1952 door Norton Zinder en Joshua Lederberg. Zinder en Lederberg ontdekten transductie via een experiment dat in de volksmond U-buisexperiment wordt genoemd.

In dit experiment werd een U-buis door een filter in twee armen verdeeld, zodat alleen virusdeeltjes en niet de bacteriecellen van de ene arm naar de andere konden gaan. Eén arm bevatte lysogene bacteriën die latent virus droegen en de andere arm bevatte bacteriën die vatbaar zijn voor dit virus. In zeldzame gevallen konden lysogene bacteriën worden gelyseerd en virusdeeltjes vrijgeven die het filter kruisten en de andere gevoelige stam besmetten, die werd vernietigd en virusdeeltjes vrijgaf.

Deze vrijgekomen deeltjes droegen genetisch materiaal van vatbare stam mee en bereikten door het filter opnieuw de lysogene stam en brachten het genetisch materiaal over op deze lysogene stam. Omdat twee bacteriestammen niet met elkaar in contact konden komen, was conjugatie niet mogelijk. Er werd ook een enzym gebruikt dat vrij DNA vernietigde, zodat de mogelijkheid van transformatie ook werd geëlimineerd.

Gebieden zo groot als één procent van het bacteriële chromosoom kunnen in de virale kop worden ingesloten. In beide gevallen is het vermogen om te infecteren niet gerelateerd aan het type DNA in de faagkop, wat transductie mogelijk maakt (Fig. 4.1).

2. Bacteriofaag:

Bacteriofagen (bacteriële virussen, fagen) zijn infectieuze agentia die zich als obligate intracellulaire parasieten in bacteriën repliceren. Bacteriofaag T4 is een van een groep verwante bacteriële virussen. Extracellulaire faagdeeltjes zijn metabolisch inert en bestaan ​​voornamelijk uit eiwitten plus nucleïnezuur (DNA of RNA, maar niet beide). De eiwitten van het faagdeeltje vormen een beschermend omhulsel (capside) dat het strak verpakte nucleïnezuurgenoom omgeeft.

Faaggenomen variëren in grootte van ongeveer 2 tot 200 kilobasen per streng nucleïnezuur en bestaan ​​uit dubbelstrengs DNA, enkelstrengs DNA of RNA. De hoeveelheid DNA is voldoende om te coderen voor meer dan 150 genen van gemiddelde grootte. Faaggenomen coderen, net als plasmiden, voor functies die nodig zijn voor replicatie in bacteriën, maar daarnaast coderen ze ook voor capside-eiwitten en niet-structurele eiwitten die nodig zijn voor faagassemblage.

Er zijn verschillende morfologisch verschillende soorten fagen beschreven, waaronder polyedrische, filamenteuze en complexe fagen. Complexe fagen hebben veelvlakkige koppen die zijn verbonden met een staart die een kraag en een samentrekkende omhulling bevat die een centrale kern omgeeft (Fig. 4.2). Staartvezels, die uit de staart steken, bevatten bindingsplaatsen in hun uiteinden die specifiek unieke gebieden van het buitenoppervlak van de celwand van de bacteriële gastheer, E. coli, herkennen.

Infectie wordt geïnitieerd door adsorptie van fagen aan specifieke receptoren op het oppervlak van gevoelige gastheerbacteriën (Fig. 4.3, 4.4). Dan zorgt samentrekking van de staartmantel ervoor dat de centrale kern de celwand binnendringt. Het DNA in de kop wordt geëxtrudeerd en vervolgens beweegt het door het celmembraan naar het bacteriële cytoplasma.

De capside blijft op het bacteriële celoppervlak. Binnen enkele minuten wordt alle bacteriële DNA-, RNA- en eiwitsynthese geremd en begint de synthese van virale moleculen. Tegelijkertijd wordt de afbraak van het gastheer-DNA in gang gezet. Na die virale DNA/RNA-componenten van de kop, staart en staartvezels worden gesynthetiseerd.

Voor de meeste fagen vindt assemblage van nageslacht plaats in het cytoplasma, en afgifte van het nageslacht vindt plaats door bacteriële cellysis door de werking van lysozym (een faaggenproduct). De latente periode is het interval vanaf infectie totdat extracellulair nageslacht verschijnt, en de stijgperiode is het interval vanaf het einde van de latente periode totdat alle fagen extracellulair zijn. Het gemiddelde aantal faagdeeltjes dat door elke geïnfecteerde cel wordt geproduceerd, de burst-grootte genoemd, is kenmerkend voor elk virus en varieert vaak tussen 50 en enkele honderden.

3. Pro-faag:

De relatie tussen virus en bacterie leidt niet altijd tot virale reproductie en lysis. Bij sommige virussen is het virale DNA, in plaats van te repliceren in het bacteriële cytoplasma, geïntegreerd in het bacteriële chromosoom. Deze functie wordt lysogenie genoemd.

Vervolgens wordt elke keer dat het bacteriële DNA wordt gerepliceerd, het virale DNA ook gerepliceerd en na deling doorgegeven aan dochterbacteriële cellen. Er worden geen nieuwe virussen geproduceerd en er vindt geen lysis van de bacteriecel plaats. Er worden verschillende termen gebruikt om deze relatie te beschrijven. Het virale DNA dat in de bacteriële chromosomen is geïntegreerd, wordt een pro-faag genoemd en dergelijke virussen worden pro-virus genoemd.

Als reactie op bepaalde stimuli, zoals chemische behandeling, behandeling met ultraviolet licht of uitputting van voedingsstoffen, kan het virale DNA echter zijn geïntegreerde status verliezen en replicatie, faagproductie en lysis van de bacterie initiëren.

Virussen die de cel kunnen lyseren of zich als een pro-faag gedragen, worden gematigd genoemd. Degenen die de cel alleen kunnen lyseren, worden virulent genoemd. Van een bacterie die een pro-faag herbergt die kan worden gelysogeniseerd, wordt gezegd dat hij lysogeen is, dat wil zeggen dat hij in staat is te worden gelyseerd als gevolg van geïnduceerde virale reproductie. Het virale DNA, dat zich kan vermenigvuldigen in het bacteriële cytoplasma of als onderdeel van het bacteriële chromosoom, wordt soms geclassificeerd als episoom (Fig. 4.5).

Ding # 4. Vervoeging:

In 1946 toonden Joshua Lederberg en Edward Tatum aan dat de bacteriën conjugatie ondergaan, een Para-seksueel proces waarbij de genetische informatie van de ene bacterie wordt overgedragen naar en gerecombineerd met die van een andere bacterie. Bij conjugatie leidt direct contact tussen de donor- en ontvangerbacteriën tot het vormen van een cytoplasmatische brug tussen hen en de overdracht van een deel of het gehele donorgenoom naar de ontvanger. Het donorvermogen wordt bepaald door specifieke conjugatieve plasmiden die vruchtbaarheidsplasmiden of geslachtsplasmiden worden genoemd.

Het F-plasmide (ook wel F-factor genoemd) van E. coli is het prototype voor vruchtbaarheidsplasmiden in Gram-negatieve bacteriën. Stammen van E. coli met een extra-chromosomaal F-plasmide worden F+ genoemd en functioneren als donoren, terwijl stammen die het F-plasmide missen F- zijn en zich gedragen als ontvangers. De conjugatieve functies van het F-plasmide worden gespecificeerd door een cluster van ten minste 25 transfer (tra)-genen die de expressie van F-pili (conjugatiebuis), synthese en overdracht van DNA tijdens de paring bepalen.

Elke F+-bacterie heeft 1 tot 3 F-pili die binden aan een specifiek buitenmembraaneiwit (het ompA-genproduct) op ontvangende bacteriën om paring te initiëren. Er wordt een intercellulaire cytoplasmatische brug gevormd en één streng van het F-plasmide-DNA wordt overgebracht van donor naar ontvanger, beginnend bij een unieke oorsprong en vordert in de richting van 5'8242 naar 3'8242.

De overgebrachte streng wordt omgezet in circulair dubbelstrengs F-plasmide-DNA in de ontvangende bacterie en een nieuwe streng wordt in de donor gesynthetiseerd om de overgebrachte streng te vervangen. Beide ex-conjugante bacteriën zijn F+ en het F-plasmide kan zich daarom door infectie verspreiden onder genetisch compatibele bacteriepopulaties. Naast de rol van de F-pili bij conjugatie, fungeren ze ook als receptoren voor donorspecifieke (mannelijke-specifieke) fagen.

Het F-plasmide in E. coli. kan bestaan ​​als een extra-chromosomaal genetisch element of geïntegreerd zijn in het bacteriële chromosoom. Omdat het F-plasmide en het bacteriële chromosoom beide circulaire DNA-moleculen zijn, produceert wederzijdse recombinatie daartussen een grotere DNA-cirkel bestaande uit F-plasmide-DNA dat lineair in het chromosoom is ingebracht. E. coli bevat meerdere kopieën van verschillende genetische elementen die insertiesequenties worden genoemd (zie de sectie over transposons voor meer details), op verschillende locaties in het chromosoom en in het F-plasmide.

Homologe recombinatie tussen insertiesequenties in het chromosoom en het F-plasmide leidt tot preferentiële integratie van het F-plasmide op chromosomale plaatsen waar insertiesequenties zich bevinden. De chromosomale plaatsen waar insertiesequenties worden gevonden, variëren tussen stammen van E. coli. Figuur 4.6 laat zien dat het F-plasmide representatief is voor specifieke conjugatieve plasmiden die het donorvermogen in E. coli regelen.

F- stammen missen het F-plasmide en zijn genetische ontvangers. F+-stammen herbergen het F-plasmide als een cytoplasmatisch element, brengen F-pili tot expressie en zijn genetische donoren. Het F-plasmide kan op verschillende locaties in het bacteriële chromosoom worden geïntegreerd om Hfr-donorstammen (hoogfrequente recombinatie) te produceren.

Abnormale excisie van F-plasmide kan resulteren in de vorming van F'8217-plasmiden die segmenten van bacterieel chromosoom en de overeenkomstige bacteriële genen bevatten. De pijlpunt in F-plasmide definieert de oorsprong voor de overdracht van DNA tijdens conjugatie. F-plasmide en chromosomaal DNA worden respectievelijk aangegeven met zware en fijne lijnen.

Een E. coli-stam met een geïntegreerd F-plasmide behoudt zijn vermogen om als donor te functioneren bij echtelijke paringen. Omdat donorstammen met geïntegreerde F-factoren chromosomale genen met hoge efficiëntie kunnen overdragen aan ontvangers, worden ze Hfr-stammen (hoogfrequente recombinatie) genoemd. Overdracht van enkelstrengs DNA van een Hfr-donor naar een ontvanger begint vanaf de oorsprong in het F-plasmide en verloopt zoals hierboven beschreven, behalve dat het overgedragen DNA het hybride replicon is dat bestaat uit het F-plasmide dat in het bacteriële chromosoom is geïntegreerd.

Overdracht van dit gehele replicon, inclusief het bacteriële chromosoom, duurt ongeveer 100 minuten. De identiteit van het eerste over te dragen chromosomale gen en de polariteit van de chromosomale overdracht worden bepaald door de plaats van integratie van het F-plasmide en zijn oriëntatie ten opzichte van het bacteriële chromosoom. Omdat de paringsbacteriën gewoonlijk spontaan scheiden voordat het gehele chromosoom is overgedragen, brengt conjugatie doorgaans slechts een fragment van het donorchromosoom over naar de ontvanger.

De kans dat een donorgen tijdens conjugatie de ontvangende bacterie binnendringt, neemt af naarmate de afstand tot de F-oorsprong (en dus de tijd van overdracht) toeneemt. Parende cellen kunnen ook experimenteel uit elkaar worden gehaald door ze te onderwerpen aan sterke schuifkrachten in een mechanische blender. Dit wordt onderbroken paring genoemd.

De vorming van recombinant nageslacht vereist recombinatie tussen het overgedragen donor-DNA en het genoom van de ontvangende bacterie. Analyse van nakomelingen van paringen die na verschillende tussenpozen worden onderbroken, toont aan welke chromosomale genen het eerst worden overgedragen door bepaalde donorstammen, de opeenvolgende tijdstippen van binnenkomst voor genen die vervolgens worden overgedragen, en de steeds kleinere kans dat later overgedragen genen in recombinante nakomelingen verschijnen.

De circulariteit van de genetische kaart van E. coli werd oorspronkelijk afgeleid uit de overlappende, circulair gepermuteerde groepen van gekoppelde genen die vroeg werden overgedragen door individuele donorstammen waarin de F-factor op verschillende chromosomale locaties was geïntegreerd.

Bij paringen tussen F+- en F--bacteriën wordt alleen het F-plasmide met hoge efficiëntie naar ontvangers overgebracht. Chromosomale genen worden met zeer lage efficiëntie overgedragen en het zijn de spontane Hfr-mutanten in F+-populaties die de overdracht van chromosomale donorgenen bemiddelen. Bij paringen tussen Hfr- en F-stammen wordt het segment van het F-plasmide dat het tra-gebied bevat als laatste overgedragen, nadat het volledige bacteriële chromosoom is overgedragen.

De meeste recombinanten van paringen tussen Hfr- en F-cellen erven niet de volledige set F-plasmidegenen en zijn fenotypisch F. Bij paringen tussen F+- en F--stammen verspreidt het F-plasmide zich snel door de bacteriepopulatie en de meeste recombinanten zijn F+. Geïntegreerde F-plasmiden in Hfr-stammen kunnen soms uit het bacteriële chromosoom worden gesneden. Als excisie het integratieproces precies omkeert, worden F+-cellen geproduceerd. In zeldzame gevallen vindt excisie echter plaats door recombinaties waarbij insertiesequenties of andere genen op het bacteriële chromosoom betrokken zijn die zich op enige afstand van de oorspronkelijke integratieplaats bevinden.

In dergelijke gevallen kunnen segmenten van het bacteriële chromosoom worden opgenomen in hybride F-plasmiden die F'8217-plasmiden worden genoemd. Door vergelijkbare processen kunnen soms segmenten van het bacteriële chromosoom worden opgenomen in R-plasmiden om hybride R'8217-plasmiden te produceren. Conjugatieve R'8217-plasmiden kunnen functioneren als vruchtbaarheidsplasmiden omdat ze kunnen integreren in het bacteriële chromosoom door homologe recombinatie en de overdracht van chromosomale genen kunnen bemiddelen tijdens paringen met ontvangende bacteriën.

F'8217-plasmiden, R'8217-plasmiden, gespecialiseerde transducerende fagen en recombinante plasmiden of fagen die zijn geconstrueerd door genklonering zijn hybride replicons die segmenten van het bacteriële chromosoom kunnen omvatten. Daarom kan elk van deze genetische elementen worden gebruikt om de gedeeltelijk diploïde bacteriestammen te construeren die nodig zijn voor complementatietests en andere doeleinden.

Conjugatie komt ook voor bij Gram-positieve bacteriën. Gram-positieve donorbacteriën produceren adhesinen die ervoor zorgen dat ze aggregeren met ontvangende cellen, maar sex pili zijn niet betrokken. Bij sommige Streptococcus-soorten produceren de ontvangende bacteriën extracellulair seksferomoon dat een andere bacterie aantrekt.

Dit zorgt ervoor dat het donorfenotype zich hecht aan een andere bacterie, die een geschikt conjugatief plasmide herbergt. Het conjugatieve plasmide voorkomt dat de donorcellen het corresponderende feromoon produceren. Alle drie soorten bacteriële recombinaties worden weergegeven in figuur 4.7.

Ding # 5. Mechanisme van genetische recombinatie in bacteriën:

Gegeneraliseerde recombinatie omvat donor- en ontvanger-DNA-moleculen die homologe nucleotidesequenties hebben. Wederzijdse uitwisselingen kunnen plaatsvinden tussen homologe donor- en ontvangersites. In E. coli is het product van het recA-gen essentieel voor gegeneraliseerde recombinatie, maar ook andere genproducten nemen deel. Plaatsspecifieke recombinatie omvat alleen wederzijdse uitwisselingen tussen specifieke plaatsen in donor- en ontvanger-DNA-moleculen. Het recA-genproduct is niet vereist voor plaatsspecifieke recombinatie.

Integratie van de gematigde bacteriofaag λ in het chromosoom van E. coli is een goed bestudeerd voorbeeld van plaatsspecifieke recombinatie (Fig. 4.8). De specifieke aanhechtingsplaatsen (att) op het E. coli-chromosoom en λ-faag-DNA hebben een gemeenschappelijke kernsequentie van 15 nucleotiden, waarbinnen wederkerige recombinatie plaatsvindt, geflankeerd door aangrenzende sequenties die niet homoloog zijn in het faag- en bacteriële genoom.

In faag λ is het product van het int-gen (integrase) vereist voor de plaatsspecifieke integratiegebeurtenis bij lysogenisatie. De producten van de int- en xis (excisionase)-genen zijn beide nodig voor de complementaire plaatsspecifieke excisiegebeurtenis. Deze gebeurtenis vindt plaats tijdens de inductie van de ontwikkeling van lytische fagen in lysogene cellen.

Onwettige recombinatie is de term die wordt gebruikt om niet-homologe, afwijkende recombinatiegebeurtenissen te beschrijven, zoals die welke betrokken zijn bij de vorming van gespecialiseerde transducerende fagen. De mechanismen van onwettige recombinatie zijn onbekend. In figuur 4.8 wordt DNA weergegeven door dunne lijnen en chromosomaal DNA door dikke lijnen. Attachment (att) sites zijn gesloten dozen voor het bacteriële chromosoom en open dozen voor het -chromosoom.

De gal- en bio-operons, die het gebruik van galactose en de biosynthese van biotine bepalen, bevinden zich naast de bacteriële aanhechtingsplaats. In een geïnfecteerde E coli wordt het λ-DNA circulair door de uiteinden m en m’ samen te voegen, en plaatsspecifieke recombinatie tussen faag- en bacteriële att-plaatsen resulteert in insertie van het X-genoom in het bacteriële chromosoom. De rangschikking van het profaag-DNA (m en m'8217 intern gelokaliseerd) is daarom een ​​cirkelvormige permutatie van λ virion-DNA (m en m's terminaal gelokaliseerd).

Ding # 6. Antibioticaresistentie:

Bacteriën zijn eencellige micro-organismen en de meeste bacteriesoorten zijn bolvormig (cocci genoemd) of staafvormig (bacillen genoemd) (Fig. 4.9). Het buitengewone vermogen van bepaalde bacteriën om resistentie tegen antibiotica te ontwikkelen is al jaren een hot topic in de hoofden van artsen, ziekenhuispersoneel, verslaggevers en het grote publiek. Het wordt ook gebruikt als schoolvoorbeeld van evolutie in actie. Deze bacteriën worden bestudeerd door evolutionaire wetenschappers in de hoop dat ze geheimen zullen onthullen over hoe de evolutie van moleculen naar mens had kunnen plaatsvinden.

Antibioticaresistentie is het vermogen van een micro-organisme om de effecten van antibiotica te weerstaan. Het is een specifiek type medicijnresistentie. Antibioticaresistentie ontwikkelt zich via natuurlijke selectie die inwerkt op willekeurige mutatie, maar het kan ook worden ontwikkeld door een evolutionaire stress toe te passen op een populatie. Zodra zo'n gen is gegenereerd, kunnen bacteriën de genetische informatie vervolgens horizontaal (tussen individuen) overdragen door middel van plasmide-uitwisseling.

Als een bacterie meerdere resistentiegenen bij zich draagt, wordt hij multiresistent of informeel een superbacter genoemd. Antibioticaresistentie kan ook kunstmatig in een micro-organisme worden geïntroduceerd door middel van transformatieprotocollen. Dit kan helpen bij het implanteren van kunstmatige genen in het micro-organisme. Als het resistentiegen is gekoppeld aan het te implanteren gen, kan het antibioticum worden gebruikt om organismen te doden die het nieuwe gen missen.

Antibiotica zijn natuurlijke stoffen die door bacteriën en schimmels worden uitgescheiden om andere bacteriën te doden die strijden om beperkte voedingsstoffen (de antibiotica die tegenwoordig worden gebruikt om mensen te behandelen, zijn meestal afgeleide producten van deze natuurlijke producten). Wetenschappers zijn verbijsterd om te ontdekken dat sommige bacteriën resistent zijn geworden tegen antibiotica door verschillende veranderingen of mutaties in hun DNA. Ziekenhuizen zijn een broedplaats geworden voor antibioticaresistente bacteriën.

Deze bacteriën vermenigvuldigen zich in een omgeving vol met zieke mensen met een slecht immuunsysteem en waar antibiotica concurrerende bacteriën die niet resistent zijn, hebben geëlimineerd. Bacteriën die resistent zijn tegen moderne antibiotica zijn zelfs gevonden in de bevroren lichamen van mensen die stierven lang voordat die antibiotica werden ontdekt of gesynthetiseerd.

Antibiotica werden voor het eerst ontdekt door een gelukkig experiment van Alexander Fleming in 1928. Zijn werk leidde uiteindelijk tot de grootschalige productie van penicilline uit de schimmel Penicillium notatum in de jaren veertig. Reeds aan het eind van de jaren veertig begonnen resistente bacteriestammen te verschijnen. Na vier jaar, toen farmaceutische bedrijven in 1943 massaal penicilline begonnen te produceren, begonnen de eerste tekenen van penicilline-resistente bacteriën te verschijnen.

De eerste bacteriën die tegen penicilline vochten, werden Staphylococcus aureus genoemd. Deze bug is meestal onschadelijk, maar kan een ziekte zoals longontsteking veroorzaken. In 1967 werd een andere penicilline-resistente bacterie gevonden. Het heette pneumokokken en het brak uit in een klein dorpje in Papoea-Nieuw-Guinea. Andere gevonden penicilline-resistente bacteriën zijn Enterococcus faecium en een nieuwe stam van gonorroe.

Momenteel wordt geschat dat meer dan 70% van de bacteriën die ziekenhuisinfecties veroorzaken, resistent zijn tegen ten minste één van de antibiotica die worden gebruikt om ze te behandelen. Antibioticaresistentie blijft toenemen om een ​​groot aantal redenen, waaronder het overmatig voorschrijven van antibiotica door artsen, het niet afmaken van voorgeschreven antibioticabehandelingen door patiënten, het gebruik van antibiotica bij dieren als groeibevorderaars (voornamelijk door de voedingsindustrie), toegenomen internationale reizen, en slechte ziekenhuishygiëne.

Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat patronen van antibioticagebruik een grote invloed hebben op het aantal resistente organismen dat zich ontwikkelt. Overmatig gebruik van breedspectrumantibiotica, zoals cefalosporines van de tweede en derde generatie, versnelt de ontwikkeling van methicillineresistentie aanzienlijk. Andere factoren die bijdragen aan resistentie zijn onder meer een verkeerde diagnose, onnodig voorschrijven, oneigenlijk gebruik van antibiotica door patiënten, het impregneren van huishoudelijke artikelen en kinderspeelgoed met een laag gehalte aan antibiotica en het via de mond toedienen van antibiotica bij vee voor groeibevordering.

Mutatie:

Antibioticaresistentie kan het gevolg zijn van niet-gekoppelde puntmutaties in het pathogene genoom en een snelheid van ongeveer 1 op 108 per chromosomale replicatie. De antibiotische werking tegen de ziekteverwekker kan worden gezien als een milieudruk. De bacteriën die een mutatie hebben waardoor ze kunnen overleven, zullen voortleven om zich voort te planten. Ze zullen deze eigenschap dan doorgeven aan hun nakomelingen, wat zal resulteren in een volledig resistente kolonie.

Het antibioticum werkt door zich te binden aan een eiwit, zodat het eiwit niet goed kan functioneren. Het normale eiwit is meestal betrokken bij het kopiëren van het DNA, het maken van eiwitten of het maken van de bacteriële celwand. Eiwitten zijn betrokken bij alle belangrijke functies voor de bacteriën om te groeien en zich voort te planten.

Als de bacteriën een mutatie in het DNA hebben die codeert voor een van die eiwitten, kan het antibioticum niet binden aan het veranderde eiwit en overleven de mutante bacteriën. In aanwezigheid van antibiotica zal het proces van natuurlijke selectie plaatsvinden, wat de overleving en reproductie van de gemuteerde bacteriën bevordert.

Tijdens de miltvuur-angst kort na de aanslagen van 11 september 2001 in de VS, werd Ciprofloxacine (Cipro) gegeven aan potentiële slachtoffers. Cipro behoort tot een familie van antibiotica die bekend staat als chinolonen, die binden aan een bacterieel eiwit dat gyrase wordt genoemd, waardoor het vermogen van de bacteriën om zich voort te planten wordt verminderd. Hierdoor kan de natuurlijke immuunafweer van het lichaam de infectieuze bacteriën inhalen omdat ze zich langzamer voortplanten. Chinolon-resistente bacteriën hebben mutaties in de genen die coderen voor het gyrase-eiwit.

De gemuteerde bacteriën overleven omdat de Cipro niet kan binden aan de veranderde gyrase. Dit brengt kosten met zich mee, aangezien chinolon-resistente bacteriën zich langzamer voortplanten. Resistentie tegen deze familie van antibiotica wordt een groot probleem met één type bacterie die voedselvergiftiging veroorzaakt. Deze bacterie verhoogde zijn resistentie tegen chinolonen in slechts vijf jaar met een factor 10.

Recent onderzoek heeft aangetoond dat de SOS-route essentieel kan zijn bij het verwerven van bacteriële mutaties die leiden tot resistentie tegen sommige antibiotica. De verhoogde mate van mutatie tijdens de SOS-respons wordt veroorzaakt door drie low-fidelity DNA-polymerasen: Pol II, Pol IV en Pol V. Onderzoekers richten zich nu op deze eiwitten met als doel medicijnen te maken die SOS-herstel voorkomen. Door dit te doen, kan de tijd die pathogene bacteriën nodig hebben om antibioticaresistentie te ontwikkelen, worden verlengd en zo de levensvatbaarheid van sommige antibiotica op de lange termijn verbeteren.

Door horizontale genoverdracht Aandeelweerstandsgenen:

Bacteriën kunnen ook antibioticaresistent worden door gemuteerd DNA van andere bacteriën te verkrijgen. Bacteriën kunnen DNA uitwisselen. Er wordt geen nieuw DNA gegenereerd, het wordt alleen uitgewisseld. Dit mechanisme van DNA-uitwisseling is nodig voor bacteriën om te overleven in extreme of snel veranderende omgevingen zoals een ziekenhuis (of zoals die kort na de zondvloed). De mechanismen van mutatie en natuurlijke selectie helpen bacteriepopulaties om resistent te worden tegen antibiotica.

De vier belangrijkste mechanismen waardoor micro-organismen resistentie vertonen tegen antimicrobiële stoffen zijn:

1. Geneesmiddelinactivering of -modificatie: b.v. enzymatische deactivering van penicilline G in sommige penicilline-resistente bacteriën door de productie van β-lactamasen.

2. Wijziging van de doellocatie: b.v. wijziging van PBP - de bindingsplaats van penicilline - in MRSA (Methicilline-resistente Staphylococcus aureus) en andere penicilline-resistente bacteriën.

3. Wijziging van de metabole route: b.v. sommige sulfonamide-resistente bacteriën hebben geen para-aminobenzoëzuur (PABA) nodig, een belangrijke voorloper voor de synthese van foliumzuur en nucleïnezuren in bacteriën wordt geremd door sulfonamiden. In plaats daarvan gebruiken ze, net als zoogdiercellen, voorgevormd foliumzuur.

4. Verminderde accumulatie van geneesmiddelen: door de permeabiliteit van het geneesmiddel te verminderen en/of de actieve efflux (het wegpompen) van de geneesmiddelen over het celoppervlak te vergroten.

Preventie van antibioticaresistentie en ontwikkeling van nieuwe medicijnen:

Omdat antibiotica zo welvarend werden, werden alle andere strategieën om bacteriële ziekten te bestrijden opzij gezet. Nu de effecten van antibiotica afnemen en de antibioticaresistentie toeneemt, is er nieuw onderzoek gestart naar de bestrijding van bacteriën. Het verbeteren van de infectiebeheersing, het ontdekken van nieuwe antibiotica en het beter innemen van medicijnen zijn manieren om te voorkomen dat resistente bacteriën zich verspreiden.

Rationeel gebruik van antibiotica kan ook de kans op het ontwikkelen van opportunistische infectie door antibioticaresistente bacteriën als gevolg van dysbacteriose verkleinen. In ontwikkelingslanden worden er maatregelen genomen om infecties onder controle te houden, zoals handen wassen door mensen in de gezondheidszorg, en het snel identificeren van resistente infecties om ze uit de buurt van anderen te houden. De Wereldgezondheidsorganisatie is begonnen met een wereldwijd computerprogramma dat eventuele uitbraken van resistente bacteriële infecties meldt. Faagtherapie, een benadering die al meer dan 60 jaar uitgebreid is onderzocht en als therapeutisch middel wordt gebruikt, vooral in de Sovjet-Unie, is een alternatief dat zou kunnen helpen bij het probleem van resistentie.

Faagtherapie werd veel gebruikt in de Verenigde Staten tot de ontdekking van antibiotica, begin jaren veertig. Bacteriofagen of '8220fagen'8221 zijn virussen die bacteriële cellen binnendringen en, in het geval van lytische fagen, het bacteriële metabolisme verstoren en ervoor zorgen dat de bacterie lyseert. Faagtherapie is het therapeutische gebruik van lytische bacteriofagen om pathogene bacteriële infecties te behandelen.

Bacteriofaagtherapie is een belangrijk alternatief voor antibiotica in het huidige tijdperk van multiresistente pathogenen. Britse studies hebben ook een significante werkzaamheid aangetoond van fagen tegen Escherichia coli, Acinetobacter spp., Pseudomonas spp en Staphylococcus aureus. Faagtherapie kan een belangrijk alternatief zijn voor antibiotica voor de behandeling van multiresistente pathogenen.

Het vermogen van micro-organismen om hun genetisch materiaal uit te wisselen heeft hen een wapen gegeven om nieuwe medicijnen te bestrijden en een ernstig probleem voor de menselijke gezondheid te vormen. Door het mechanisme van genetische recombinatie te begrijpen, kunnen we moderne biologietools gebruiken om bacteriële ziekten te beheersen en ze te gebruiken voor de productie van bruikbare medicijnen.

Ding # 7. Faaggenoom en recombinatie:

Het genoom van faag A is een dubbelstrengs DNA-molecuul met een lengte van ongeveer 47.000 basenparen. In het faagdeeltje heeft A-DNA enkelstrengs, complementaire uiteinden met een lengte van 12 basen, rijpe of samenhangende uiteinden m en m’ genoemd.

Binnen een geïnfecteerde cel vormt DNA een cirkel door paring van het enkelstrengs DNA, en wordt het gerepliceerd en getranscribeerd als een circulair molecuul tijdens de replicatiegerichte vroege fase van een ontwikkeling.

Na dit vroege stadium kan een ontwikkeling plaatsvinden langs de productieve (of lytische) route of langs de alternatieve lysogene route. Het op inkapseling gerichte late stadium van de productieve route omvat een transcriptie-omschakeling naar de synthese van kop-, staart- en lysis-eiwitten en een replicatie-omschakeling naar een rollende cirkelmodus die multimere genomen (concatemeren) genereert die de verplichte voorlopers zijn voor de gesplitste, lineaire moleculen verpakt in een faagkop.

De lysogene route omvat een onderdrukking van transcriptie en een plaatsspecifieke recombinatiegebeurtenis die A-DNA in het gastheer E. coli-genoom invoegt. Deze integratieve recombinatie tussen de faag- en gastheeraanhechtingsplaatsen (att) genereert een genetische structuur die gepermuteerd is van de lineaire volgorde die in het faagdeeltje wordt gevonden, omdat de faagaanhechtingsplaats (a a'8217 of PP) zich ongeveer in het midden van de rijpe DNA-molecuul.

De profaag heeft structureel verschillende aanhechtingsplaatsen: een linker attL-plaats (ba'8217 of BP'8217) en een rechter attR-plaats (a b'8217 of PB'8217) deze kunnen op hun beurt recombineren om het profaag-DNA los te maken wanneer het virus wordt geïnduceerd tot lytische ontwikkeling, waarbij de faag attP-plaats (a a'8217 of P P'8217) en de oorspronkelijke gastheer attB-plaats (b b'8217 of BB'8217) wordt geregenereerd.

Virussen kunnen genetische recombinatie ondergaan. Het werd voor het eerst beschreven door A.D. Hershey en R. Rotman in 1949. Het werd ontdekt tijdens experimenten met gemengde infectie, waarbij twee verschillende mutante stammen gelijktijdig dezelfde bacteriecultuur mochten infecteren.

Daarin zijn twee loci betrokken, daarom wordt recombinatie intergeen genoemd. Als bijvoorbeeld twee stammen van een virus met genotypen a + b” en a – b + dezelfde gastheercel mogen infecteren, zal het resulterende nageslacht van het virus ook recombinanten a + b + en lucht hebben, naast naar oudercombinaties a + b – en ar b + . Dit fenomeen van genetische recombinatie is gebruikt bij het opstellen van koppelingskaarten van virussen. Er is gevonden dat koppelingskaarten in T2- en T4-fagen cirkelvormig zijn, zoals in het geval van E. coli-chromosoom.

Ding # 8. Genetische kaarten van virussen:

De virussen, die zeer kleine deeltjes zijn, worden vaak niet geschikt geacht voor erfelijkheidsonderzoek. Echter plaque (helder gebied geproduceerd op ondoorzichtig gazon van bacteriën op het oppervlak van een petriplaat van vast medium) morfologie zoals groot versus klein, wazig versus scherp, gastheerbereik en virulentie zijn kenmerkende kenmerken van bacteriofagen, die zijn gebruikt voor overerving en recombinatie in virussen kan worden geïllustreerd door een kruising in T2-faag, geprobeerd door Hershey. Deze kruising (h – r + x h + r – ) had betrekking op gastheerbereik en plaquemorfologie.

Hier geeft h+ aan dat deze virussen alleen stam 1 kunnen infecteren en h''8211 beide stammen 1 en 2 kan infecteren. r+ lyseert langzaam en produceert kleine plaques en r lyseert snel en produceert grote plaques. Voor het produceren van een genetische kaart werd bacteriestam 1 geïnfecteerd door beide faaggenotypen (gemengde infectie of dubbele infectie) en het lysaat werd geanalyseerd door het te verspreiden op een bacteriegazon bestaande uit een mengsel van stam 1 en 2 (h''8211 zal heldere en h + zal troebele plaques produceren). Er waren vier soorten plaques te onderscheiden (Fig. 4.10)

De eerste twee van deze vier zijn ouderlijke fenotypes en de laatste twee zijn recombinanten, zodat de recombinatiefrequentie (RF) als volgt kan worden berekend: RF= (h + r + ) + (h – r – ) / totaal plaquettes. Om de koppelingskaart op te stellen, waren verschillende genotypen voor snelle lysis (r1, r2, r3, in volgorde van ontdekking) beschikbaar en de overeenkomstige stammen werden r genoemd.een RB en rC Gebruikmakend van deze drie stammen met h + en h – genotypen, werden de volgende kruisingen gemaakt: reen – h + x reen + h – , rB – h + x rB + h – , rC – h + x rC + h – , rC – rB + x rC + rB – . De recombinatiefrequenties werden berekend en de volgende twee waarschijnlijke lineaire orden waren beschikbaar: reen – rC – u – rB en rC – u – rB – reen. Dit kan alleen worden verklaard als de cirkelvormige kaart getoond in cirkelvormige genetische kaart voor een T-even faag (Fig. 4.11). S. Benzer die de fijne structuur van rll-locus heeft opgelost, heeft ook recombinatie in T4 bestudeerd.

Ding # 9. Fijne structuur van rII Locus in T4-faag:

T4-faag rll-locus voor het ruwe plaque-fenotype van de faagkolonies werd het meest uitgebreid bestudeerd voor de fijne structuur van het gen. De meest verfijnde analyse van een enkel gen die ooit is uitgevoerd, is die welke in de jaren 1950 door Seymour Benzer is uitgevoerd voor een locus in T4-bacteriofaag die E. coli infecteert. Deze locus staat bekend als rll-locus en een mutant op deze locus is verantwoordelijk voor de vorming van ruwe plaques of kolonies.

Deze locus had het grootste aantal snel lyserende (r) mutanten en wordt rll-locus genoemd. Het kan worden onderscheiden van andere r-loci door het onvermogen van rll-mutanten om plaques te produceren op de lysogene '8216K'8217-stam van E. coli, die lamda profaag draagt. De rll-mutant maakt grote plaques met vage randen op E. coli, stam B. De wildtype faag T4 rll+ zal kleine plaques maken met scherpe randen, zowel op B- als /k-stammen.

Verder, toen '8216K'8217 gelijktijdig werd geïnfecteerd door rll + en rll. Er werden grote plaques gevormd, omdat rll* helpt bij de lysis. Zodat rll kan uitdrukken. Deze onderscheidende kenmerken stelden Benzer in staat om mutanten en wildtype fagen met hoge efficiëntie te onderscheiden.

Complementatietest:

Om complementatierelaties tussen rll-mutante allelen te bepalen, gebruikte Benzer twee verschillende rll-mutanten, willekeurig aangeduid als rllx en rllja. Hij stond gemengde infectie van de K-stam door deze twee mutanten toe. In de meeste gevallen leidde dit niet tot lysis en in sommige gevallen tot plaquevorming. Als twee mutanten geen plaques vormden bij gemengde infectie, werden ze in dezelfde groep geplaatst, maar als plaques werden geproduceerd, werden de twee mutanten die betrokken waren bij gemengde infectie in twee verschillende groepen geplaatst.

Op deze manier kunnen twee groepen A en B in het rll-gebied worden vastgesteld. Alle mutanten konden met behulp van complementatietesten in deze twee groepen worden ingedeeld, zodanig dat twee mutanten uit groep A of twee mutanten uit groep B geen plaquevorming konden veroorzaken, maar gemengde infectie door één mutant uit elke groep zou wel plaquevorming kunnen veroorzaken .

Omdat groep A en B gescheiden zijn op basis van cis-trans-test, werden deze cistron A en cistron B genoemd. Uit de complementatietest blijkt dat in rll-gebied twee cistrons A en B functioneel onafhankelijk zijn en verantwoordelijk moeten zijn voor sequentiële synthese voor twee afzonderlijke producten (verschillende eiwitten).

Daarom delen alle mutanten die tot één cistron behoren een gemeenschappelijke deficiëntie, die verschilt van deficiëntie in de tweede cistron. Wanneer twee mutanten van dezelfde groep worden gemengd, blijft er een tekort aan bestaan. Wanneer twee mutanten van verschillende groepen worden gemengd, vullen ze elkaar aan en kunnen ze een wild fenotype tot expressie brengen, d.w.z. lysis en plaquevorming.

Recombinatietest:

Nadat rll-mutanten waren geclassificeerd in cistron A en cistron B, analyseerde Benzer de mutanten die tot hetzelfde cistron behoorden. Mutanten werden onderworpen aan een recombinatietest om erachter te komen of ze zich op dezelfde locatie bevinden of op verschillende locaties die op afstand van elkaar gescheiden zijn. Deze afstand kan worden opgelost door recombinaties.

Benzer classificeerde alle mutanten in twee categorieën:

(1) Revertante type-puntmutaties

(2) Niet-revertante type-deletiemutant (mutaties op meerdere plaatsen).

Deletiemutaties werden bepaald door verschillende tests, waaronder hun niet-revertante aard. Voor recombinatieanalyse gebruikte Benzer niet-revertante mutanten. Deze deleties werden gerangschikt in een reeks overlappende deleties die segmenten van verschillende groottes in het rll-gebied vertegenwoordigen, zoals weergegeven in figuur 4.12.

Het principe dat bij deze techniek betrokken was, was dat als een puntmutatie in het gebied van een deletie in een andere mutant ligt, gemengde infectie met deze twee geen aanleiding kan geven tot een wildtype (beide defect op dezelfde plaats). Als de puntmutatie buiten het deletiegebied van de tweede mutant valt, zal het in staat zijn om wildtype recombinant te geven (beide defect op verschillende plaatsen).

Door gebruik te maken van niet-revertante mutanten met opeenvolgende overlappende deleties van kleinere lengte, zou men een mutant in een vrij klein gebied kunnen lokaliseren. Alle puntmutaties die zich in dit specifieke kleine segment van het rll-gebied bevinden, zouden dan onderworpen kunnen worden aan een recombinatietest. Voor dit doel werden twee mutanten tegelijk gebruikt voor gemengde infectie op E. coli B-stam.

Het op plaques geproduceerde lysaat werd gebruikt voor infectie op de K-stam om de frequentie van geproduceerde wildtype faagdeeltjes te achterhalen, omdat dit de recombinatiefrequentie zal vertegenwoordigen. Benzer schatte recombinatiefrequenties zo laag als 0,0001%. Zo was Benzer in staat om het rll-gebied te verdelen in cistronen A en B en hetzelfde cistron in honderden mutatieplaatsen die door recombinatie konden worden gescheiden.

Met deze methode werden -2400 mutaties in kaart gebracht in het rll-gebied en er werd gevonden dat ze 300 verschillende plaatsen bezetten die mutatieplaatsen worden genoemd. Er waren gebieden met hoge mutatiefrequenties die hotspots werden genoemd, terwijl andere plaatsen zonder mutaties nulplaatsen werden genoemd.


Hoe werken antibiotica?

Vóór de 20e eeuw waren er geen effectieve behandelingen voor infecties veroorzaakt door bacteriën, waaronder longontsteking, tuberculose, gonorroe, reumatische koorts en urineweginfecties. Maar in 1929 ontdekte bacterioloog Alexander Fleming het eerste echte antibioticum, penicilline, en luidde een nieuw tijdperk van de geneeskunde in.

Sindsdien hebben wetenschappers tientallen antibiotica gevonden die bacteriën op verschillende manieren bestrijden.

Veel antibiotica, waaronder penicilline, werken door de celwand van bacteriën aan te vallen. De medicijnen voorkomen met name dat de bacteriën een molecuul in de celwand synthetiseren, peptidoglycaan genaamd, dat de wand de kracht geeft die het nodig heeft om te overleven in het menselijk lichaam.

Maar er zijn meerdere manieren om de aanmaak van peptidoglycaan en mdash vancomycine te remmen, bijvoorbeeld interfereert ook met peptidoglycaan, maar niet op dezelfde manier als penicilline.

Andere antibiotica voorkomen succesvolle DNA-replicatie in bacteriën. Een klasse antimicrobiële middelen, chinolonen genaamd, richt zich op DNA-gyrase, een belangrijk enzym dat helpt bij het afwikkelen van DNA voor replicatie. Door gyrase uit de vergelijking te verwijderen, voorkomen ciprofloxacine en soortgelijke antibiotica effectief dat de bacteriën zich vermenigvuldigen.

Sommige antibiotica, waaronder tetracycline, dat wordt gebruikt om acne, luchtweginfecties en andere aandoeningen te behandelen, remmen de eiwitsynthese. De medicijnen doen dit door te voorkomen dat sleutelmoleculen binden aan geselecteerde plaatsen op celstructuren die ribosomen worden genoemd, waar eiwitsynthese plaatsvindt. Zonder zijn eiwitten kunnen de bacteriën geen vitale functies uitvoeren, waaronder ongeslachtelijke voortplanting.

Rifamycine, een groep van tuberculosebestrijdende antibiotica, bereikt een soortgelijk effect door de synthese van RNA te remmen, een molecuul dat betrokken is bij het vertalen van het DNA van het lichaam in eiwitten.

Nog andere antibiotica bestrijden infecties door te voorkomen dat bacteriën foliumzuur produceren, een essentiële vitamine en door de structuur van het celmembraan van een bacterie te betwisten, dat bepaalt hoe stoffen de cel in en uit gaan.


Bacteriële celprobleem - biologie

Ze staan ​​net zo los van mensen als levende wezens kunnen zijn, maar bacteriën zijn essentieel voor het menselijk leven en het leven op planeet Aarde. Hoewel ze berucht zijn vanwege hun rol bij het veroorzaken van ziekten bij de mens, van tandbederf tot de Zwarte Pest, zijn er nuttige soorten die essentieel zijn voor een goede gezondheid.

Een soort die symbiotisch in de dikke darm leeft, produceert bijvoorbeeld vitamine K, een essentiële bloedstollingsfactor. Andere soorten zijn indirect gunstig. Bacteriën geven yoghurt zijn pittige smaak en zuurdesembrood zijn zure smaak. Ze maken het voor herkauwers (koeien, schapen, geiten) mogelijk om plantaardige cellulose te verteren en voor sommige planten (sojabonen, erwten, luzerne) om stikstof om te zetten in een meer bruikbare vorm.

Bacteriën zijn prokaryoten, zonder goed gedefinieerde kernen en membraangebonden organellen, en met chromosomen die zijn samengesteld uit een enkele gesloten DNA-cirkel. Ze zijn er in vele soorten en maten, van minuscule bollen, cilinders en spiraaldraden tot gevlagde staven en filamenteuze kettingen. Ze komen praktisch overal op aarde voor en leven op enkele van de meest ongewone en schijnbaar onherbergzame plaatsen.

Er zijn aanwijzingen dat bacteriën al 3,5 miljard jaar geleden bestonden, waardoor ze een van de oudste levende organismen op aarde zijn. Zelfs ouder dan de bacteriën zijn de archeanen (ook wel archaebacteriën genoemd) kleine prokaryotische organismen die alleen in extreme omgevingen leven: kokend water, superzoute poelen, zwavelspuwende vulkanische openingen, zuur water en diep in het Antarctische ijs. Veel wetenschappers geloven nu dat de archaea en bacteriën zich bijna vier miljard jaar geleden afzonderlijk van een gemeenschappelijke voorouder hebben ontwikkeld. Miljoenen jaren later splitsten de voorouders van de huidige eukaryoten zich af van de archaea. Ondanks de oppervlakkige gelijkenis met bacteriën, biochemisch en genetisch, verschillen de archea net zo van bacteriën als bacteriën van mensen.

Aan het eind van de 17e eeuw was Antoni van Leeuwenhoek de eerste die bacteriën onder de microscoop bestudeerde. In de negentiende eeuw demonstreerden de Franse wetenschapper Louis Pasteur en de Duitse arts Robert Koch de rol van bacteriën als pathogenen (die ziekten veroorzaken). De twintigste eeuw zag tal van vorderingen in de bacteriologie, wat wijst op hun diversiteit, oude afkomst en algemeen belang. Het meest opvallende is dat een aantal wetenschappers over de hele wereld een bijdrage hebben geleverd op het gebied van microbiële ecologie, wat aantoont dat bacteriën essentieel waren voor voedselwebben en voor de algehele gezondheid van de ecosystemen van de aarde. De ontdekking dat sommige bacteriën verbindingen produceerden die dodelijk zijn voor andere bacteriën, leidde tot de ontwikkeling van antibiotica, wat een revolutie teweegbracht in de geneeskunde.

Er zijn twee verschillende manieren om bacteriën te groeperen. Ze kunnen worden onderverdeeld in drie typen op basis van hun reactie op gasvormige zuurstof. Aërobe bacteriën hebben zuurstof nodig voor hun gezondheid en bestaan ​​en zullen zonder zuurstof sterven. Anerobe bacteriën kunnen helemaal geen gasvormige zuurstof verdragen en sterven wanneer ze eraan worden blootgesteld. Facultatieve aneraoben geven de voorkeur aan zuurstof, maar kunnen zonder.

De tweede manier om ze te groeperen is door hoe ze hun energie verkrijgen. Bacteriën die complexe organische verbindingen moeten consumeren en afbreken, zijn heterotrofen. Dit omvat soorten die worden aangetroffen in rottend materiaal en soorten die gebruikmaken van fermentatie of ademhaling. Bacteriën die hun eigen energie creëren, gevoed door licht of door chemische reacties, zijn autotrofen.

Capsule - Sommige soorten bacteriën hebben een derde beschermende laag, een capsule die bestaat uit polysachariden (complexe koolhydraten). Capsules spelen een aantal rollen, maar de belangrijkste zijn om te voorkomen dat de bacterie uitdroogt en om hem te beschermen tegen fagocytose (opslokken) door grotere micro-organismen. Het kapsel is een belangrijke virulentiefactor in de belangrijkste ziekteverwekkende bacteriën, zoals Escherichia coli en Streptococcus pneumoniae. Niet-ingekapselde mutanten van deze organismen zijn avirulent, d.w.z. ze veroorzaken geen ziekte.

Celomhulsel - Het celomhulsel bestaat uit twee tot drie lagen: het binnenste cytoplasmatische membraan, de celwand en - bij sommige soorten bacteriën - een buitenste capsule.

Celwand - Elke bacterie is omgeven door een stijve celwand die is samengesteld uit peptidoglycaan, een eiwit-suiker (polysacharide) molecuul. De wand geeft de cel zijn vorm en omringt het cytoplasmatische membraan en beschermt het tegen de omgeving. Het helpt ook om aanhangsels zoals de pili en flagella te verankeren, die hun oorsprong vinden in het cytoplasmamembraan en door de wand naar buiten steken. De sterkte van de wand zorgt ervoor dat de cel niet barst wanneer er grote verschillen zijn in osmotische druk tussen het cytoplasma en de omgeving.

De samenstelling van de celwand varieert sterk tussen bacteriën en is een van de belangrijkste factoren bij de analyse en differentiatie van bacteriesoorten. Bijvoorbeeld een relatief dikke, gaasachtige structuur die het mogelijk maakt om twee basissoorten bacteriën te onderscheiden. Een techniek bedacht door de Deense arts Hans Christian Gram in 1884, maakt gebruik van een kleur- en wastechniek om onderscheid te maken tussen de twee vormen. Bij blootstelling aan een gramkleuring behouden grampositieve bacteriën de paarse kleur van de vlek omdat de structuur van hun celwanden de kleurstof vasthoudt. Bij gramnegatieve bacteriën is de celwand dun en geeft de kleurstof gemakkelijk af wanneer deze wordt gewassen met een alcohol- of acetonoplossing.

Cytoplasma - Het cytoplasma, of protoplasma, van bacteriële cellen is waar de functies voor celgroei, metabolisme en replicatie worden uitgevoerd. Het is een gelachtige matrix die bestaat uit water, enzymen, voedingsstoffen, afvalstoffen en gassen en bevat celstructuren zoals ribosomen, een chromosoom en plasmiden. De celenvelop omhult het cytoplasma en al zijn componenten. In tegenstelling tot de eukaryote (echte) cellen, hebben bacteriën geen door een membraan omsloten kern. Het chromosoom, een enkele, continue DNA-streng, is gelokaliseerd, maar niet aanwezig, in een gebied van de cel dat de nucleoïde wordt genoemd. Alle andere cellulaire componenten zijn verspreid over het cytoplasma.

Een van die componenten, plasmiden, zijn kleine, extrachromosomale genetische structuren die door veel bacteriestammen worden gedragen. Net als het chromosoom zijn plasmiden gemaakt van een cirkelvormig stuk DNA. In tegenstelling tot het chromosoom zijn ze niet betrokken bij de voortplanting. Alleen het chromosoom heeft de genetische instructies voor het initiëren en uitvoeren van celdeling, of binaire splitsing, het primaire reproductiemiddel bij bacteriën. Plasmiden repliceren onafhankelijk van het chromosoom en hoewel ze niet essentieel zijn om te overleven, lijken ze bacteriën een selectief voordeel te geven.

Plasmiden worden op twee manieren doorgegeven aan andere bacteriën. Voor de meeste soorten plasmiden worden kopieën in het cytoplasma tijdens binaire splitsing doorgegeven aan dochtercellen. Andere soorten plasmiden vormen echter een buisachtige structuur aan het oppervlak, een pilus genaamd, die kopieën van het plasmide doorgeeft aan andere bacteriën tijdens conjugatie, een proces waarbij bacteriën genetische informatie uitwisselen. Van plasmiden is aangetoond dat ze een belangrijke rol spelen bij de overdracht van speciale eigenschappen, zoals resistentie tegen antibiotica, resistentie tegen zware metalen en virulentiefactoren die nodig zijn voor infectie van dierlijke of plantaardige gastheren. Het vermogen om specifieke genen in plasmiden in te voegen, heeft ze tot uiterst bruikbare hulpmiddelen gemaakt op het gebied van moleculaire biologie en genetica, met name op het gebied van genetische manipulatie.

Cytoplasmatisch membraan - Een laag fosfolipiden en eiwitten, het cytoplasmatische membraan genaamd, omsluit het inwendige van de bacterie en reguleert de stroom van materialen in en uit de cel. Dit is een structurele eigenschap die bacteriën delen met alle andere levende cellen een barrière die hen in staat stelt selectief te interageren met hun omgeving. Membranen zijn zeer georganiseerd en asymmetrisch met twee zijden, elke zijde met een ander oppervlak en verschillende functies. Membranen zijn ook dynamisch en passen zich voortdurend aan verschillende omstandigheden aan.

Flagella - Flagella (enkelvoud, flagellum) zijn haarachtige structuren die een voortbewegingsmiddel vormen voor de bacteriën die ze hebben. Ze zijn te vinden aan een of beide uiteinden van een bacterie of over het hele oppervlak. De flagella sloeg in een propellerachtige beweging om de bacterie te helpen zich naar voedingsstoffen te verplaatsen, weg van giftige chemicaliën of, in het geval van de fotosynthetische cyanobacteriën, naar het licht.

Nucleoïde - De nucleoïde is een gebied van het cytoplasma waar het chromosomale DNA zich bevindt. Het is geen membraangebonden kern, maar gewoon een gebied van het cytoplasma waar de strengen DNA worden gevonden. De meeste bacteriën hebben een enkel, circulair chromosoom dat verantwoordelijk is voor replicatie, hoewel een paar soorten er twee of meer hebben. Kleinere circulaire hulp-DNA-strengen, plasmiden genaamd, worden ook in het cytoplasma aangetroffen.

Pili - Veel soorten bacteriën hebben pili (enkelvoud, pilus), kleine haarachtige uitsteeksels die uit het buitenste celoppervlak komen. Deze uitgroeiingen helpen de bacteriën bij het hechten aan andere cellen en oppervlakken, zoals tanden, darmen en stenen. Zonder pili verliezen veel ziekteverwekkende bacteriën hun vermogen om te infecteren omdat ze zich niet kunnen hechten aan gastheerweefsel. Gespecialiseerde pili worden gebruikt voor conjugatie, waarbij twee bacteriën fragmenten van plasmide-DNA uitwisselen.

Ribosomen - Ribosomen zijn microscopisch kleine "fabriekjes" die in alle cellen worden aangetroffen, inclusief bacteriën. Ze vertalen de genetische code van de moleculaire taal van nucleïnezuur naar die van aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Eiwitten zijn de moleculen die alle functies van cellen en levende organismen vervullen. Bacteriële ribosomen lijken op die van eukaryoten, maar zijn kleiner en hebben een iets andere samenstelling en moleculaire structuur. Bacteriële ribosomen zijn nooit gebonden aan andere organellen zoals ze soms zijn (gebonden aan het endoplasmatisch reticulum) in eukaryoten, maar zijn vrijstaande structuren verspreid over het cytoplasma. Er zijn voldoende verschillen tussen bacteriële ribosomen en eukaryote ribosomen dat sommige antibiotica de werking van bacteriële ribosomen zullen remmen, maar niet die van een eukaryoot, waardoor bacteriën worden gedood, maar niet de eukaryote organismen die ze infecteren.


Wiskundige modellering van de bacteriële celcyclus: het probleem van de coördinatie van genoomreplicatie met celgroei

In dit artikel voeren we een analyse uit van bacteriële celcyclusmodellen die verschillende strategieën implementeren om genoomreplicatie en celgroeidynamiek gecoördineerd te reguleren. Het is aangetoond dat het probleem van het koppelen van deze processen niet direct afhangt van de dynamiek van celvolume-expansie, maar wel van het type celgroeiwet. Onze analyse heeft twee soorten celgroeiwetten onderscheiden, "exponentieel" en "lineair", die elk zowel exponentiële als lineaire patronen van celgroei kunnen bevatten. Als een cel groeit volgens een wet van het "exponentiële" type, inclusief de exponentiële V(t) = V0 exp (kt) en lineair V(t) = V0(1 + kt) dynamische patronen, dan stuit de cel op het probleem van het koppelen van groeisnelheden en replicatie. Er is aangetoond dat om het probleem op te lossen het voldoende is dat een cel een repressormechanisme heeft om de initiatie van DNA-replicatie te reguleren. Voor een cel die zijn volume uitbreidt door een wet van het "lineaire" type, inclusief exponentiële V(t) = V0 + V1 exp (kt) en lineair V(t) = V0 + kt dynamische patronen, het probleem van het koppelen van groeisnelheden en replicatie bestaat niet. Met andere woorden, in de context van het koppelingsprobleem, vertonen een repressormechanisme om DNA-replicatie te reguleren en celgroeiwetten van het "lineaire" type de attributen van universaliteit. Het mechanisme van het repressortype stelt een cel in staat om elk dynamisch groeipatroon te volgen, terwijl de groeiwet van het "lineaire" type een cel in staat stelt elk mechanisme te gebruiken om DNA-replicatie te reguleren.


Waar zijn we nu?

Nu steeds meer bacteriën resistent zijn geworden tegen antibiotica, hebben wetenschappers over de hele wereld een hernieuwde interesse in fagen. De Europese Unie investeerde 5 miljoen euro in Phagoburn, een project dat onderzoek doet naar het gebruik van fagen om huidinfecties bij brandwondenslachtoffers te voorkomen (Figuur 2). In de VS keurde de FDA ListshieldTM goed, een voedingsadditief dat fagen bevat, dat doodt Listeria monocytogenes, een van de meest virulente door voedsel overgedragen pathogenen en een oorzaak van meningitis. Momenteel worden veel klinische onderzoeken uitgevoerd waarbij fagen worden gebruikt om bacteriële infecties zoals tuberculose en MRSA te behandelen of te voorkomen.

Ondanks het feit dat faagtherapie nog niet is goedgekeurd door de FDA, zijn fagen al gebruikt om levens te redden in experimentele behandelingen. In San Diego werd een wonderbaarlijk herstel gemeld van een patiënt die leed aan antibioticaresistente bacteriën. Tijdens een vakantie in Egypte werd Tom Patterson besmet met een multiresistente stam van Acinetobacter baumannii. Hij werd teruggevlogen naar Californië en meer dan 100 dagen behandeld met antibiotica, maar Patterson werd niet beter en raakte in coma. Hij werd uiteindelijk gered door een cocktail van fagen die uit rioolwater in Texas waren gezuiverd.

In de nabije toekomst, als antibiotica hun effectiviteit verliezen, kunnen we meer van dit soort verhalen gaan horen. En op een dag kan faag van ons laatste redmiddel tegen antibioticaresistente bacteriën naar onze eerste verdedigingslinie gaan.


Bekijk de video: Bacterial Structure and Functions (December 2021).