معلومة

كيف يتم تحديد الفئات المختلفة لجينات الإشريكية القولونية؟

كيف يتم تحديد الفئات المختلفة لجينات الإشريكية القولونية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

بالنظر إلى بعض جداول استخدام الكودون الأكثر تفصيلاً ، قد يتم تجميع الجينات بشكل أكبر في ثلاث فئات جينية: الجينات الأيضية ، والجينات المعبر عنها بشكل كبير أثناء النمو الأسي ، ونقل الجينات الأفقي. بالنظر إلى الورقة الأصلية التي أعدها Medique وآخرون ، قاموا بتجميع الجينات بناءً على CAI ثم بواسطة متغير من الوسائل k المحددة 3 فئات. لاحظ أن هذا يختلف عن جين الفئة الثانية الذي يتم تحديده بواسطة أنواع بوليميريز الحمض النووي الريبي المستخدم.

كيف انتهى بهم الأمر إلى تحديد ما هي الفئات الثلاث؟ يبدو كما لو أنهم قاموا بهذا التعميم بدون أي بيانات بروتينية. هل سيتم تصنيف نفس الجينات باستخدام بيانات تعبير البروتين أثناء النمو الأسي والنمو الثابت؟


قرأت من خلال الجريدة. يبدأ المؤلف بالقول إنه حتى وقت كتابة هذا التقرير ، كانت هناك فئتان مختلفتان من ملفات تعريف استخدام الكودون معروفة (أو على الأقل مفترضًا). خضعت جميع سلاسل CDS الفريدة البالغ عددها 782 إلى طريقة تصنيف من خطوتين. في الخطوة الأولى ، تم تقسيم كل CDS إلى متجه 61 بعدًا يمثل كل واحد من 61 كودونًا ممكنًا. تم إجراء تحليل كتلة عاملي (المكافئ الفئوي متعدد المتغيرات لتحليل المكون الأساسي) على هذه المتجهات ، مما أدى إلى تكثيف 61 بعدًا وصولاً إلى بعدين. الآن بعد أن تم تقليل تعقيد البيانات إلى 2D ، أصبح من الأسهل إدارة خوارزمية k-mean لتقسيم البيانات. في النهاية ، تم تجميع الجينات في 3 مجموعات متعامدة (الفئات الأولى والثانية والثالثة ، مع 502 و 191 و 89 CDS ، على التوالي).

فقط بعد أن قام المؤلفون بتجميع مجموعة الجينات ، تمكنوا من العودة وإلقاء نظرة على التعريفات الأساسية لكل جين. لقد حدث ، لحسن الحظ ، أن كل فئة من الجينات لديها تحيز قوي لمجموعات فرعية من الوظائف الخلوية (على سبيل المثال ، التمثيل الغذائي ، التخليق الحيوي للبروتين ، النقل). لم يستخدموا البيانات البروتينية ، لكنهم تمكنوا من تحديد دور عدد كبير من هذه الجينات بناءً على مجموعة الأدبيات في ذلك الوقت.


البقاء على قيد الحياة الإشريكية القولونية في البيئة: الجوانب الأساسية والصحة العامة

في هذا الاستعراض ، فهمنا الحالي للأنواع الإشريكية القولونية ويتم فحص ثباتها في البيئة المفتوحة. بكتريا قولونية يتكون من ستة مجموعات فرعية مختلفة ، والتي يمكن فصلها عن طريق التحليلات الجينية. تشغل السلالات داخل كل مجموعة فرعية مجالات بيئية مختلفة ، ويمكن وصفها على نطاق واسع إما بسلوك متكافئ أو مختلف الممرض. في الحالات ذات الصلة ، يمكن تحديد الجزر الجينومية التي تدعم السلوك. وبالتالي ، فإن الجزر الجينومية ذات الأهمية البيئية الواسعة من ناحية ، ومن ناحية أخرى ، الفوعة ، يتم تسليط الضوء عليها في سياق بكتريا قولونية البقاء في منافذها. يتم التركيز بشكل أكبر على الدراسات التجريبية على بقاء أنواع مختلفة من بكتريا قولونية في التربة والسماد والماء. بشكل عام ، تشير البيانات إلى ذلك بكتريا قولونية يمكن أن تستمر ، لفترات زمنية متفاوتة ، في مثل هذه الموائل البرية والمائية. على وجه الخصوص ، استمرار كبير لمسببات الأمراض بكتريا قولونية O157: H7 ذو أهمية ، حيث من المتوقع أن يمنح تحمله الحمضي أحد أصول اللياقة في البيئات الأكثر حمضية. في هذا السياق ، إلى أي مدى بكتريا قولونية يتفاعل مع مضيفه البشري / الحيواني ويتم مقارنة قابلية بقاء الكائن الحي في البيئات الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك ، تأثير التنوع وهيكل المجتمع للميكروبات الأصلية على مصير الغزو بكتريا قولونية تمت مناقشة السكان في البيئة المفتوحة. هذه العلاقة ذات أهمية لمعرفتنا بكل من الصحة العامة والبيئية.


الدوافع

يمكن اعتبار EcoCyc كمقالة مراجعة إلكترونية لأنها مجموعة منخلية بعناية من المعلومات المستمدة إلى حد كبير من (وتحتوي على 1400 اقتباس من) الأدبيات الأولية. تم تصميم EcoCyc أيضًا لتسهيل العمليات الحسابية المعقدة على البيانات الجينومية والأيضية - لتوفير في silicio نموذج بكتريا قولونية يمكن فحصها وتحليلها من خلال الوسائل الحسابية. من بين المشكلات التي يمكن معالجتها باستخدام EcoCyc ما يلي (بعض هذه المهام لا تدعمها واجهة مستخدم EcoCyc مباشرةً وستتطلب برمجة إضافية).

نظرًا لارتباطاته بتسلسل قواعد البيانات مثل Swiss-Prot ، يمكن استخدام EcoCyc لإجراء استرجاع قائم على الوظيفة لتسلسل الحمض النووي أو البروتين ، مثل إعداد مجموعات البيانات لدراسات العلاقات بين بنية البروتين ووظائفه. يمكن للعلماء الذين يدرسون تطور التمثيل الغذائي استخدام EcoCyc للبحث عن أمثلة لتكرار واختلاف الإنزيمات والمسارات. يمكن للدراسات الحسابية المنهجية لتطور المسار مقارنة المسارات ذات الصلة من الكائنات الحية المختلفة. يوفر EcoCyc أساسًا لإجراء عمليات محاكاة التمثيل الغذائي ، على الرغم من أنه يفتقر حاليًا إلى البيانات الحركية التي تحتاجها معظم تقنيات المحاكاة.

تم استخدام EcoCyc للتنبؤ بالمكمل الأيضي لـ المستدمية النزلية من تسلسلها الجيني (14). تم تجسيد هذا التنبؤ الأيضي في شكل DB وتم دمجه مع برنامج EcoCyc لإنشاء موسوعة من المستدمية النزلية جينوم يسمى HinCyc. تستخلص تقنية التحليل الأيضي هذه مستوى إضافيًا من المعلومات البيولوجية من التسلسل الجيني ، وتوفر التحقق البيولوجي من التعرفات الجينية التي تنبأ بها تحليل التسلسل.

يسعى علماء التكنولوجيا الحيوية إلى تصميم مسارات كيميائية حيوية جديدة تنتج منتجات كيميائية مفيدة (مثل المستحضرات الصيدلانية) ، أو تقوض المواد الكيميائية غير المرغوب فيها مثل السموم. يوفر EcoCyc مخطط الأسلاك لـ بكتريا قولونية K-12 ، الذي يقترب من نقطة البداية للهندسة ، يصف EcoCyc أيضًا الاختلافات الهندسية المحتملة التي يمكن أن تنتج عن الاستيراد بكتريا قولونية الانزيمات في الكائنات الحية الأخرى.


9.14: الإشريكية القولونية كنظام نموذجي

  • بمساهمة مايكل و. كليمكوفسكي وميلاني م. كوبر
  • أساتذة (MSCD والكيمياء) في جامعة كولورادو بولدر وجامعة ولاية ميشيغان

يحتوي كل سطح في جسمك على نظام بيئي ميكروبي مزدهر. هذا ينطبق بشكل خاص على الجهاز الهضمي ، الذي يمتد من الفم والمريء (مع التفاف إلى الأنف) ، عبر المعدة ، إلى الأمعاء الدقيقة والغليظة والقولون 291. تدعم كل منطقة من هذه المناطق مجتمعًا ميكروبيًا فريدًا خاصًا به (يُعرف باسم الميكروبيوم). تختلف هذه البيئات من حيث عدد الخصائص ، بما في ذلك الاختلافات في الأس الهيدروجيني و O2 المستويات. بالقرب من الفم والمريء O2 مستويات عالية ويمكن للميكروبات استخدام الهوائية (O2 تعتمد) على التنفس لاستخراج الطاقة من الطعام. التحرك من خلال النظام O2 تنخفض المستويات حتى اللاهوائية (بدون O2) الآليات ضرورية. في مواقع مختلفة على طول طول المسار المعدي المعوي تم العثور على ميكروبات مع تفضيلات بيئية مختلفة وقدرات التكيف.

أحد التحديات المرتبطة بتوصيف التعقيد الدقيق للميكروبيوم الموجود في مواقع مختلفة هو أن الكائنات الحية غالبًا ما تعتمد على بعضها البعض للنمو عندما تكون معزولة عن بعضها البعض لا تنمو. الطريقة القياسية لعد البكتيريا هي زراعتها في المختبر باستخدام ألواح من وسائط النمو. يتم تخفيف العينات بحيث تهبط البكتيريا المفردة (بمعزل عن بعضها البعض) على اللوح. عندما تنمو وتنقسم ، فإنها تشكل مستعمرات عيانية ومن الممكن حساب عدد وحدات تشكيل & ldquocolony & rdquo (CFUs) لكل حجم عينة أصلي. يوفر هذا مقياسًا لعدد البكتيريا الفردية الموجودة. إذا لم يستطع الكائن الحي تكوين مستعمرة في ظل ظروف الفحص ، فسيبدو غائبًا عن السكان. ولكن كما ذكرنا للتو ، فإن بعض البكتيريا تعتمد كليًا على أنواع أخرى ، وبالتالي لا تنمو بمعزل عن غيرها. لتجنب هذه المشكلة ، تستخدم الطرق الجزيئية الأحدث تحليلات تسلسل الحمض النووي لتحديد الكائنات الحية الموجودة دون الحاجة إلى تنميتها 292. تكشف نتيجة هذا النوع من التحليل التعقيد الحقيقي للنظم البيئية الميكروبية التي تعيش داخلنا وداخلنا 293.

لأغراضنا ، سنركز على عضو واحد معروف جيدًا ، ولكنه ثانوي نسبيًا في هذا المجتمع الميكروبي ، الإشريكية القولونية 294 . بكتريا قولونية هو عضو في عائلة البكتيريا المعوية ويوجد في قولون الطيور والثدييات 295. بكتريا قولونية هو ما يعرف باسم الأيروب الاختياري ، يمكنه البقاء على قيد الحياة في كل من البيئة اللاهوائية والهوائية. هذه المرونة ، وكذلك الإشريكية القولونية ورسكووس تجعل المتطلبات الغذائية غير سريعة التحمل بشكل عام من السهل النمو في المختبر. علاوة على ذلك ، فإن سلالة المختبر شائعة الاستخدام بكتريا قولونية، المعروف باسم K12 ، لا يسبب المرض للإنسان. ومع ذلك ، هناك سلالات أخرى من بكتريا قولونية، مثل بكتريا قولونية O157: H7 المسببة للأمراض (مسببة للأمراض). بكتريا قولونية O157: H7 يحتوي على 1،387 جينًا غير موجود في بكتريا قولونية ك 12. وتشير التقديرات إلى أن الاثنين بكتريا قولونية تباعدت سلالات من سلف مشترك

قبل 4 ملايين سنة. تفاصيل ما يجعل بكتريا قولونية O157: H7 الممرض موضوع رائع ، لكن خارج نطاقنا هنا 296.

السلوك التكيفي وشبكات الجينات (استجابة لاك): اللاكتوز هو ثنائي السكاريد (سكر) يتكون من د-جالاكتوز ود-جلوكوز. يتم تصنيعه ، بيولوجيًا ، حصريًا عن طريق إناث الثدييات. تستخدم الثدييات اللاكتوز في الحليب كمصدر للسعرات الحرارية (الطاقة) للرضع. أحد الأسباب (يُعتقد) هو أن اللاكتوز لا يتم هضمه بسهولة بواسطة معظم الميكروبات. يُشتق نظام تصنيع اللاكتوز من تعديل تطوري لجين أسلاف يشفر إنزيم الليزوزيم. من خلال الازدواجية والطفرة ، تم إنشاء جين يشفر البروتين وألفا لاكتو ألبومين. & alpha-lactoalbumin يتم التعبير عنها فقط في الغدد الثديية ، حيث تشكل معقدًا مع بروتين معبر في كل مكان ، galactosyltransferase ، لتكوين بروتين lactose synthase 297.

بكتريا قولونية قادر على استقلاب اللاكتوز ، ولكن فقط في حالة عدم وجود سكريات أفضل (أسهل) للأكل. في حالة وجود الجلوكوز أو المركبات الأخرى في البيئة ، يتم إيقاف تشغيل الجينات المطلوبة لاستقلاب اللاكتوز. مطلوب جينين ل بكتريا قولونية لاستقلاب اللاكتوز. الأول يشفر تصاريح اللاكتوز. لا يمكن أن يمر اللاكتوز ، نظرًا لكونه كبيرًا ومحبًا للماء بدرجة عالية بكتريا قولونية غشاء الخلية. نفاذية اللاكتوز هو بروتين غشائي يسمح للاكتوز بالدخول إلى الخلية ، متحركًا أسفل تدرج تركيزه. يقوم الجين الثاني المعني باستخدام اللاكتوز بتشفير الإنزيم وبيتا جالاكتوزيداز ، الذي يقسم اللاكتوز إلى D-galactose و D-glucose ، وكلاهما يمكن استقلابه عن طريق البروتينات المعبر عنها بشكل أساسي (أي طوال الوقت) داخل الخلية. إذن كيف يعمل هذا النظام بالضبط؟ كيف يتم إيقاف جينات استخدام اللاكتوز في حالة عدم وجود اللاكتوز وكيف يتم تشغيلها عند وجود اللاكتوز والحاجة إلى الطاقة. توضح الإجابات المبادئ العامة لشبكات التفاعل التي تتحكم في التعبير الجيني.

في بكتريا قولونية، مثل العديد من البكتيريا ، يتم تنظيم الجينات المتعددة فيما يعرف باسم الأوبراونات. في مشغل ، تتحكم منطقة تنظيمية واحدة في التعبير عن جينات متعددة. من الشائع أيضًا في البكتيريا أن توجد جينات متعددة تشارك في مسار استقلابي واحد في نفس الأوبون (نفس منطقة الحمض النووي). يتمثل أحد الأساليب القوية لدراسة الجينات في البحث عن أنماط ظاهرية متحولة ذات صلة. كما قلنا ، النوع البري (أي عادي) بكتريا قولونية يمكن أن تنمو على اللاكتوز كمصدر وحيد للطاقة. حتى نفهم استخدام اللاكتوز ، يمكننا أن نبدو متحولين بكتريا قولونية لا يمكن أن ينمو على اللاكتوز 298. لجعل شاشة مثل هذه الطفرات أكثر صلة ، نتحقق أولاً للتأكد من أن المتحولة يمكن أن تنمو على الجلوكوز. لماذا ا؟ نظرًا لأننا لسنا مهتمين حقًا (في هذه الحالة) بالطفرات في الجينات التي تعطل التمثيل الغذائي القياسي ، على سبيل المثال القدرة على استخدام الجلوكوز ، فإننا نسعى لفهم الجينات المشاركة في العملية المحددة لاستقلاب اللاكتوز. كشف مثل هذا التحليل عن عدد من الفئات المتميزة من الطفرات :. أدى بعضها إلى عدم القدرة على الاستجابة لوجود اللاكتوز في الوسط ، وأدى البعض الآخر إلى إلغاء القمع ، أي التعبير المستمر عن جينين مشاركين في القدرة على استقلاب اللاكتوز ونفاذية اللاكتوز وبيتا غالاكتوزيداز. في هذه السلالات الطافرة ، تم التعبير عن كلا الجينين في مكان وجود اللاكتوز أو عدم وجوده. من خلال رسم الخرائط (باستخدام نظام Hfr ، انظر أعلاه) حيث توجد هذه الطفرات في جينوم بكتريا قولونية، وعدد من التجارب الأخرى ، تم إنشاء النموذج التالي.

الجينات التي تشفر نفاذية اللاكتوز (لاسي) وبيتا جالاكتوزيداز (لاكز) جزء من أوبرا ، والمعروفة باسم لاك أوبرون. يتم تنظيم هذا الأوبون من خلال عاملين متميزين. الأول هو نتاج جين نشط بشكل أساسي ، لاسي، والذي يشفر عديد ببتيد يتجمع في بروتين رباعي النواة يعمل كمثبط للنسخ. يوجد في الخلية النموذجية

10 بروتينات lac repressor موجودة. يرتبط بروتين lac repressor بالمواقع الموجودة في المحفز لـ لاك أوبرون. عند الارتباط بهذه المواقع ، يقوم البروتين المثبط بحظر نسخ (التعبير) لـ لاك أوبرون. مواقع ربط repressor و rsquos داخل لاك يبدو أن مروج الأوبرا هو مواقع الربط الوحيدة المهمة وظيفيًا في الكل بكتريا قولونية الجينوم. يُعرف العنصر التنظيمي الثاني في النظام بموقع المنشط. يمكنه ربط بروتين منشط هدم (أو CAP) ، والذي يتم ترميزه بواسطة جين موجود خارج أوبرون اللاكتات. يتم تنظيم نشاط ربط الحمض النووي لـ CAP من خلال ارتباط العامل المشترك ، أحادي فوسفات الأدينوزين الدوري (cAMP). يتراكم cAMP في الخلية عندما تكون العناصر الغذائية ، وخاصة الطاقة المجانية التي توفر العناصر الغذائية (مثل الجلوكوز) منخفضة. يعمل وجودها كإشارة إلى أن الخلية تحتاج إلى طاقة. في حالة عدم وجود cAMP ، لا يرتبط CAP أو ينشط التعبير عن لاك Operon ، ولكن في وجوده (أي عند الحاجة إلى الطاقة) ، يكون بروتين CAP-cAMP نشطًا ، ويرتبط بموقع في لاك مروج الأوبرا ، يجند وينشط بوليميريز الحمض النووي الريبي ، مما يؤدي إلى تخليق نفاذية اللاكتوز وبيتا جالاكتوزيداز RNAs والبروتينات. ومع ذلك ، حتى لو كانت مستويات الطاقة منخفضة (ومستويات cAMP مرتفعة) ، فإن لاك أوبرون غير نشط في حالة عدم وجود اللاكتوز بسبب ارتباط بروتين مثبط اللاكتوز بالمواقع (المسمى 01, 02و 03) في لاك المنطقة التنظيمية للأوبرون.

إذن ماذا يحدث عندما يظهر اللاكتوز في الخلية وبيئة rsquos؟ حسنًا ، من الواضح أنه لا شيء ، نظرًا لأن الخلايا تعبر عن مثبط اللاكتوز ، لذلك لا يوجد نفاذية اللاكتوز ، ولا يمكن للاكتوز دخول الخلية بدونه. لكن هذا التوقع يفترض ، على المستوى الجزيئي ، أن النظام يعمل بشكل مثالي وحتمي. هذا ليس هو الحال ، ومع ذلك ، فإن النظام عشوائي ، يخضع لتأثيرات العمليات العشوائية - إنه صاخب واحتمالي.

10) ، هناك فرصة صغيرة ولكنها مهمة ، بشكل عشوائي ، أن يكون مشغل lac لخلية معينة خاليًا من القامع المربوط. إذا حدث هذا في ظل ظروف يكون فيها CAP نشطًا ، إذا كان اللاكتوز موجودًا ، فإننا نرى تأثير حلقة التغذية الراجعة الإيجابية 299. عند إضافة اللاكتوز ، فإن تلك الخلايا التي عبرت عن طريق الصدفة عن كل من نفاذ اللاكتوز وبيتا غالاكتوزيداز (نسبة صغيرة من إجمالي عدد الخلايا) سوف تستجيب: اللاكتوز سيدخل هذه الخلايا (نظرًا لوجود النفاذية) و ، نظرًا لوجود & beta-galactosidase أيضًا ، سيتم تحويله إلى allolactone (تفاعل محفز بواسطة & beta-galactosidase. يرتبط Allolactone بـ ويثبط نشاط lac repressor protein. في وجود allolactone ، لم يعد المثبط مثبطًا لاك تعبير أوبرون وهناك زيادة أخرى (

1000 ضعف) في معدل التعبير عن نفاذية اللاكتوز وبيتا جالاكتوزيداز. & beta-galactosidase يحفز أيضًا التحلل المائي للاكتوز إلى D-galactosidase و D-glucose ، والتي تستخدم بعد ذلك لدفع عملية التمثيل الغذائي الخلوي. من خلال هذه العملية ، تنتقل الخلية بشكل أساسي من عدم وجود تعبير عن لاك أوبرون للتعبير الكامل ، ومع التعبير الكامل يصبح قادرًا على استقلاب اللاكتوز. في الوقت نفسه ، لن تتمكن الخلايا التي لم تفرز (بالصدفة) من إفراز اللاكتوز وبيتا جالاكتوزيداز من استقلاب اللاكتوز على الإطلاق. لذلك على الرغم من أن جميع ملفات بكتريا قولونية قد تكون الخلايا الموجودة في الثقافة متطابقة وراثيًا ، ويمكنها التعبير عن أنماط ظاهرية مختلفة بسبب الطبيعة العشوائية للتعبير الجيني. يتم تقديم مثال على هذا السلوك في التطبيق الصغير 300 لأساسيات التعبير الجيني لـ PhET. في حالة نظام lac ، مع مرور الوقت ، تؤدي الطبيعة الصاخبة للتعبير الجيني إلى المزيد والمزيد من الخلايا التي تنشط نسختها من lac operon. مرة واحدة & ldquoon & rdquo ، طالما كان اللاكتوز موجودًا في النظام ، فإن دخوله إلى الخلية وتحويله إلى allolactone سيبقي بروتين مثبط اللاكتوز في حالة غير نشطة ويسمح بالتعبير المستمر عن أوبرون اللاكتوز.

ماذا يحدث إذا اختفى اللاكتوز من البيئة ، ما الذي يحدد المدة التي تستغرقها الخلايا للعودة إلى الحالة التي لم تعد تعبر فيها عن لاك أوبرون؟ يتم تحديد الإجابة من خلال تأثيرات انقسام الخلايا والعمليات التنظيمية. في حالة عدم وجود اللاكتوز ، ينخفض ​​تركيز الألولاكتون ويعود بروتين مثبط اللاكتوز إلى حالته النشطة ويمنع التعبير عن لاك أوبرون. لن يتم تصنيع أي تصاريح لاكتوز جديدة وبيتا جالاكتوزيداز وستنخفض تركيزاتهما بسبب التحلل. في نفس الوقت ، ومرة ​​أخرى بسبب توقف تركيبها ، مع كل انقسام خلوي ، سينخفض ​​تركيز نفاذية اللاكتوز وبيتا غالاكتوزيداز بمقدار

50٪. مع مرور الوقت ستضعف البروتينات (وتتحلل) وبالتالي تعود الخلايا إلى حالتها الأولية ، أي مع لاك تم إيقاف تشغيل الأوبرا ولا توجد نسخ من أي من نفاذية اللاكتوز أو وبيتا غالاكتوزيداز.


علم البيئة

الإشريكية القولونية يمكن العثور عليها بشكل شائع في الأمعاء السفلية للإنسان والثدييات. متي بكتريا قولونية يقع في الأمعاء الغليظة للإنسان ، ويمكن أن يساعد في عمليات الهضم ، وتكسير الطعام وامتصاصه ، وإنتاج فيتامين ك. سلالات مختلفة من بكتريا قولونية يمكن العثور عليها في أنواع مختلفة من الحيوانات ، لذلك يمكننا تحديد المصدر (من الإنسان أو من الحيوانات الأخرى) من البراز عن طريق فحص سلالة بكتريا قولونية موجود في البراز. بكتريا قولونية يمكن العثور عليها أيضًا في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة ، مثل حافة الينابيع الساخنة.

بكتريا قولونية يشيع استخدامه كمؤشر في مجال تنقية المياه. ال بكتريا قولونية- يمكن أن يشير الفهرس إلى مقدار البراز البشري في الماء. السبب بكتريا قولونية يستخدم كمؤشر يرجع إلى كمية أكبر بكثير من بكتريا قولونية في براز الإنسان من الكائنات البكتيرية الأخرى. معظم سلالات "الإشريكية القولونية" ليست ضارة بمضيفيها ، ومع ذلك ، فإن المزيد والمزيد من السلالات المكتشفة حديثًا تساهم في السكان الحاليين من خلال الطفرات والتطور. يمكن أن يسبب البعض مرضًا شديدًا ، مثل بكتريا قولونية O157: H7.


أدوات تقنية الحمض النووي المتواصل

فيما يلي الأدوات الرئيسية لتقنية الحمض النووي المؤتلف:
إنزيمات تقييدية ، وإنزيمات بوليميراز ، وليغازات ، وناقلات ، والكائن الحي المضيف

أنزيمات التقييد

تسمى الإنزيمات التي تقطع الحمض النووي أنزيمات التقييد. كانت هند الثانية أول نوكلياز داخلي يتم اكتشافه. تقطع هند 2 دائمًا جزيئات الحمض النووي في نقطة معينة من خلال التعرف على تسلسل محدد من ستة أزواج قاعدية. يسمى هذا التسلسل الأساسي المحدد تسلسل التعرف على Hind II. اليوم ، أكثر من 900 إنزيم معروف. إنزيمات مختلفة تتعرف على تسلسلات مختلفة.

نوكلياز خارجي: تزيل هذه الإنزيمات النيوكليوتيدات من نهايات الحمض النووي.

نوكلياز داخلي: تقوم هذه الإنزيمات بعمل جروح في مواقع محددة داخل الحمض النووي.

تسمية إنزيمات التقييد: يتم تسمية كل إنزيم على اسم البكتيريا التي تم عزله منها. يعتمد نظام التسمية على الجنس والأنواع والسلالة البكتيرية. يوضح الجدول التالي اسم إنزيم التقييد EcoRI ونظام التسمية الضمني.

اشتقاق اسم EcoRI
اختصارالمعنىوصف
هالإشريكيةجنس
شاركالقولونيةمحيط
صRY 13أضنى
أناحددت لأول مرةترتيب تحديد الهوية

Palindromes: تسمى مجموعة الأحرف التي تشكل نفس الكلمة عند قراءتها للأمام والخلف بالمتطابقة. قطع إنزيم التقييد في التسلسل المتناظر في الحمض النووي. فيما يلي مثال على التسلسل المتناظر:

5 "—— GAATTC —— 3"
3 '—— CTTAAG —— 5'

تقوم إنزيمات التقييد بقطع شريط الحمض النووي بعيدًا قليلاً عن مركز المواقع المتناظرة ، ولكن بين نفس القاعدتين على الخيوط المتقابلة. هذا يترك أجزاء واحدة تقطعت بهم السبل في النهايات. هناك امتدادات متدلية تسمى النهايات اللاصقة على كل خصلة. سميت هذه لأنها تشكل روابط هيدروجينية مع نظيراتها المقطوعة التكميلية. هذا الالتصاق في الأطراف يسهل عمل إنزيم DNA ligase.

عندما يتم قطعها بنفس إنزيم التقييد ، فإن شظايا الحمض النووي الناتجة لها نفس النوع من "النهايات اللاصقة" ، ويمكن ضمها معًا (من طرف إلى طرف) باستخدام روابط DNA.

ما لم يتم قطع الناقل والحمض النووي المصدر بنفس إنزيم التقييد ، فلا يمكن إنشاء جزيء ناقل مؤتلف.

فصل وعزل شظايا الحمض النووي: ينتج عن قطع الحمض النووي عن طريق نوكليازات تقييدية أجزاء من الحمض النووي. يمكن فصل هذه الشظايا بتقنية تعرف باسم الرحلان الكهربائي للهلام. نظرًا لأن شظايا الحمض النووي عبارة عن جزيئات سالبة الشحنة ، فيمكن فصلها عن طريق إجبارها على التحرك نحو القطب الموجب تحت مجال كهربائي عبر وسط / مصفوفة.

Agarose هي المصفوفة الأكثر استخدامًا. وهو عبارة عن بوليمر طبيعي يتم استخراجه من الأعشاب البحرية.

تنفصل شظايا الحمض النووي وفقًا لحجمها من خلال تأثير الغربلة الذي يوفره هلام الاغاروز. لذلك ، تتحرك الأجزاء الصغيرة أبعد من الأجزاء الأطول.

شظايا الحمض النووي المنفصلة ملطخة ببروميد إيثيديوم. بعد ذلك ، فإن التعرض للأشعة فوق البنفسجية يجعلها مرئية. تظهر شظايا الحمض النووي على شكل عصابات برتقالية زاهية في هذه الحالة.

يتم قطع العصابات المنفصلة من الحمض النووي من هلام الاغاروز واستخراج بناء الحمض النووي المؤتلف عن طريق ضمها مع نواقل الاستنساخ.

نواقل الاستنساخ

يُطلق على قطعة صغيرة من الحمض النووي المأخوذة من فيروس أو بلازميد أو خلية كائن أعلى يمكن الحفاظ عليها بثبات في كائن حي ، والتي يمكن إدخال جزء دناها الأجنبي فيها لأغراض الاستنساخ ، ناقل الاستنساخ.

فيما يلي الميزات المطلوبة لتسهيل الاستنساخ في ناقل.

  1. أصل النسخ المتماثل (ori): يُطلق على التسلسل الذي يبدأ منه النسخ المتماثل في الحمض النووي اسم أصل النسخ المتماثل (ORI). عندما ترتبط قطعة من الحمض النووي بهذا التسلسل ، يمكن جعلها تتكاثر داخل الخلية المضيفة. إذا كنت ترغب في استعادة العديد من نسخ الحمض النووي المستهدف ، فيجب استنساخها في ناقل يدعم "ori" عددًا كبيرًا من النسخ.
  2. علامة اختيار: هذه هي المواد التي تساعد في تحديد والقضاء على غير المحولات والسماح بشكل انتقائي بنمو المحولات. بشكل عام ، تعتبر الجينات التي تشفر المقاومة للمضادات الحيوية (الأمبيسلين ، الكلورامفينيكول ، التتراسيكلين ، الكاناميسين ، إلخ) علامات مفيدة قابلة للاختيار من أجل بكتريا قولونية. الطبيعي بكتريا قولونية لا تحمل الخلايا مقاومة ضد أي من هذه المضادات الحيوية.
  3. مواقع الاستنساخ: تحتوي جميع نواقل الاستنساخ على مواقع للتعرف على إنزيمات التقييد الشائعة الاستخدام. ولكن لربط الحمض النووي الفضائي ، يجب أن يكون للناقل عدد قليل جدًا من مواقع التعرف ، ويفضل أن يكون واحدًا. يتم إجراء ربط الحمض النووي الغريب في موقع تقييد موجود في أحد الجينين المقاومين للمضادات الحيوية.

مثال: يمكن ربط الحمض النووي الغريب في موقع Bam H I لجين مقاومة التتراسيكلين في ناقل pBR322. ستفقد البلازميدات المؤتلفة مقاومة التتراسيكلين بسبب إدخال الحمض النووي الغريب ولكن لا يزال من الممكن انتقاؤها من تلك غير المؤتلفة عن طريق طلاء المواد المُتحوّلة على وسط يحتوي على الأمبيسلين.

بعد ذلك ، يتم نقل المحولات (التي تنمو على وسط يحتوي على الأمبيسلين) على وسط يحتوي على التتراسيكلين.

سوف ينمو المؤتلف في أمبيسلين يحتوي على وسط ولكن ليس في وسط يحتوي على التتراسيكلين.

لكن المواد غير المؤتلفة ستنمو في وسط يحتوي على كلا المضادات الحيوية. في هذه الحالة ، يساعد أحد الجينات المقاومة للمضادات الحيوية في اختيار المحولات ، بينما يتم تعطيل الجين الآخر المقاوم للمضادات الحيوية بسبب إدخال الحمض النووي الغريب. وبالتالي ، فهو يساعد في اختيار المؤتلف.

ملحوظة: يتطلب اختيار المواد المؤتلفة الناتجة عن تعطيل المضادات الحيوية طلاءًا متزامنًا على لوحين بهما مضادات حيوية مختلفة. ومن ثم فهي عملية مرهقة.

تم تطوير علامات بديلة قابلة للتحديد والتي يمكن أن تميز المؤتلفات عن غير المؤتلفة على أساس قدرتها على إنتاج اللون في وجود ركيزة كروموجينية.

في هذه الحالة ، يتم إدخال الحمض النووي المؤتلف داخل تسلسل ترميز الإنزيم α-galactosidase. هذا يؤدي إلى تعطيل الإنزيم. (يطلق عليه تعطيل الإدراج).

يعطي وجود ركيزة كروموجينية مستعمرات زرقاء اللون إذا لم يكن للبلازميد في البكتيريا مادة ملحقة.

يؤدي وجود الإدخال إلى تعطيل إدخال α-galactosidase ، ولا ينتج عن المستعمرات لون. يتم تحديد هذه المستعمرات على أنها مستعمرات مؤتلفة.

نواقل استنساخ الجينات في النباتات والحيوانات: تقوم البكتيريا والفيروسات بنقل جيناتها لتحويل الخلايا حقيقية النواة لإجبارها على فعل ما تريده البكتيريا أو الفيروسات. الآن ، يمكن تحويل أدوات مسببات الأمراض هذه إلى نواقل مفيدة لتوصيل الجينات المفيدة للبشر. على سبيل المثال الورم الذي يحفز (Ti) بلازميد الأورام الجرثومية تم تعديله الآن إلى ناقل استنساخ لم يعد مسببًا للأمراض للنباتات. يمكن الآن استخدام هذا الناقل لنقل الجينات المفيدة إلى العديد من النباتات.

مضيف كفء (للتحول باستخدام الحمض النووي المؤتلف)

نحن نعلم أن الحمض النووي هو جزيء محب للماء. وبالتالي ، لا يمكن أن تمر عبر أغشية الخلايا. من أجل إجبار البكتيريا على امتصاص البلازميد ، يجب أن تكون الخلية البكتيرية "مؤهلة" لأخذ الحمض النووي. يتم ذلك عن طريق معالجة الخلايا البكتيرية بتركيز محدد من الكاتيون ثنائي التكافؤ ، على سبيل المثال الكالسيوم. يزيد من الكفاءة التي يدخل بها الحمض النووي البكتيريا من خلال المسام في جدار الخلية.

يمكن بعد ذلك دفع الحمض النووي المؤتلف إلى مثل هذه الخلايا في الخطوات التالية:

  • يتم تحضين الخلايا مع الحمض النووي المؤتلف على الجليد.
  • ثم يتم وضعها لفترة وجيزة عند 42 درجة مئوية (صدمة حرارية).
  • ثم يتم وضعهم مرة أخرى على الجليد.

الحقن المجهري: في هذه الطريقة ، يتم حقن الحمض النووي المؤتلف مباشرة في نواة الخلية الحيوانية.

بندقية الجينات: يتم تطبيق هذه الطريقة على الخلايا النباتية. في هذه الطريقة ، يتم قصف الخلايا بجزيئات دقيقة عالية السرعة من الذهب أو التنجستن المغلفة بالحمض النووي.

مسببات الأمراض منزوعة السلاح: عندما يصيب العامل الممرض المنزوع السلاح الخلية ، فإنه ينقل الحمض النووي المؤتلف إلى المضيف.


كيف يتم تحديد الفئات المختلفة لجينات الإشريكية القولونية؟ - مادة الاحياء

الجينات الأساسية في الإشريكية القولونية

تم آخر تحديث لهذه الصفحة في مارس 2004. وهي توفر روابط لبيانات عن الجينات الأساسية في بكتريا قولونية، ويعرض قائمة قصيرة من الجينات الأساسية للإشريكية القولونية التي تم تحديدها من Neidhardt بكتريا قولونية كتب (Neidhardt and Curtiss، 1996). أعرّف الجينات الأساسية بأنها تلك الجينات المطلوبة في سلالة WT MG1655 لتكوين مستعمرات على وسط غني صلب خلال 24 ساعة من الحضانة عند 37 درجة مئوية. طفرة فيه. هذا النهج يخضع لكل من المواقف الخاطئة والسلبيات الخاطئة (انظر Gerdes وآخرون 2003 و Kang et al. 2004). من أجل تحديد الجين الأساسي بشكل لا لبس فيه ، يجب عمل طفرة قاتلة مشروطة (انظر Herring and Blattner ، 2004).

أفضل مصدر للبيانات عن هوية الجينات الأساسية في بكتريا قولونية هو الجدول رقم S2 الذي أعدته سفيتلانا جيردس وآخرون من شركة الجينوم المتكاملة ، والمرتبط بورقتهم البحثية الأخيرة (جيرديس وآخرون 2003). كان متوفرا هنا. يقارن تحديدات الضرورة من 3 مصادر: قاعدة بيانات PEC ، مشروع الطفرات المنهجية Tn5 لمختبر Blattner ، وعملهم الخاص.

مصدر ممتاز آخر هو قاعدة بيانات PEC (تنميط كروموسوم Escherichia coli) ، والتي تسرد الجينات الأساسية التي تم تحديدها من عمليات البحث في الأدبيات. قد يحتوي أيضًا على بعض البيانات التجريبية ، لكن هذا ليس واضحًا تمامًا.

مصدر آخر محتمل هو من المسوخات المضادة للدلالة التي صنعها الناس في Elitra Pharmaceuticals. لم ينشروا أعمالهم ، لكن الكثير من البيانات متاحة من أرقام طلبات براءات الاختراع الأمريكية 20020045592 و 20020022718 ، المتاحة هنا. تم نشر عملهم مع المكورات العنقودية (فورسيث وآخرون 2002).

. يرجى مراسلتي عبر البريد الإلكتروني مع اقتراحات أو بيانات حول الجينات الأساسية.

قائمة جزئية للجينات الأساسية التي تم تحديدها من Neidhardt E. coli وكتب Salmonella (Neidhardt et al. 1996). لاحظ أنه في مارس 2004 قمت بإزالة بعض الجينات المدرجة سابقًا (dinD، ftsE، ftsX، glmS، glmU، htrA، htrB، htrC، infC، lnt، nusB، rfaD، ribB، rpoE، surA) لأنها لم تتوافق مع تعريف الجينات الأساسية (كانت مطلوبة فقط في ظل ظروف معينة ، مثل ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاض الملح). يجب استخدام هذه البيانات بحذر - لم يتم إجراء تحقيق مكثف للمراجع الأولية.


مقاومة الأدوية المتعددة وانتشار عالٍ من Integrons من الفئة 1 في الإشريكية القولونية معزولة عن مياه الري والخضروات في أجزاء من نسوكا وإنوغو ، نيجيريا

أدى تلوث المنتجات الطازجة بمياه الري إلى تفشي الأمراض المنقولة عن طريق الأغذية ، ومع ذلك فإن مياه الصرف الصحي المعالجة تقدم نفسها كبديل جذاب للمياه ذات الجودة الشحيحة في البلدان النامية. يلعب النقل الأفقي للإنتغريونات دورًا مهمًا في انتشار مقاومة مضادات الميكروبات والحفاظ عليها بين المعوية.

هدف الدراسة

قيمت هذه الدراسة النفايات السائلة من جامعة نيجيريا ، محطة معالجة مياه الصرف الصحي Nsukka (UNN-WWTP) وكذلك الخضروات المروية بالنفايات السائلة والخضروات المباعة في أسواق مختارة لوجود الإشريكية القولونية وحدد انتشار إنتغرادات في العزلات المقاومة للأدوية المتعددة.

أساليب

العزلة وتحديد الافتراضات بكتريا قولونية تم باستخدام لوحات أجار Eosin Methylene Blue (EMB) وإجراء تلطيخ الجرام. تأكيد بكتريا قولونية والسموم المعوية بكتريا قولونية تم تحقيق سلالة (ETEC) عن طريق اكتشاف تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) للكشف عن بيتا جلوكورونيداز المستهدف (uidأ) والسم المتغير للحرارة (لتر) الجينات على التوالي. تم تحديد مقاومة المضادات الحيوية باستخدام طريقة انتشار قرص باور كيربي ومعايير معهد المعايير السريرية والمخبرية. تم الكشف عن Integrons بواسطة تعدد الإرسال PCR باستخدام بادئات خاصة بالفئة 1 و 2 من Integrons.

نتائج

ما مجموعه 178 بكتريا قولونية تم الحصول على عزلات من مياه الصرف الصحي لمعالجة مياه الصرف الصحي (41) ، خضروات الدفيئة (46)., خضروات المزرعة (55) وخضروات السوق (36). تم التأكد من أن 23 عزلة من هذه العزلات الـ 178 (12.9٪) معوية بكتريا قولونية (ETEC) سلالات. كانت معدلات عزل ETEC لأنواع العينات المختلفة: مياه الصرف الصحي السائلة ، 20٪ (ن = 60) ، خضروات الدفيئة 8.3٪ (ن = 60) ، خضروات المزرعة 4.8٪ (ن = 84) ، وخضروات السوق 2.4٪ (ن = 60). = 84). كانت جميع العزلات مقاومة للأدوية المتعددة. أكثر أنواع المقاومة شيوعًا في 178 بكتريا قولونية العزلات كانت: كلوكساسيللين (100٪) ، ميترونيدازول (100٪) ، فانكومايسين (98.8٪) ، اريثروميسين (94.3٪) ، كلاريثروميسين (89.6٪). تم الكشف عن المقاومة للأدوية المتعددة (MDR) في عزلات من جميع المصادر ، تتراوح من مقاومة خمسة عقاقير لوحظت في عزلة واحدة إلى أنماط مقاومة 16 عقارًا وجدت في عزلتين مختلفتين. من 178 بكتريا قولونية تم اكتشاف إنتجونات الصنف 1 في 175 (98.3٪) ، وتم اكتشاف إنتجونات الصنف 2 في 5 (2.8٪). تم العثور على جميع الإنتجترات من الفئة 2 في عزلات إيجابية للفئة 1.

الاستنتاجات

ارتفاع معدلات الكشف عن بكتريا قولونية تمثل عينات النفايات السائلة والخضروات المدروسة مخاطر محتملة على الصحة العامة تتزايد بسبب المقاومة الملحوظة للأدوية المتعددة في جميع العزلات والانتشار المرتفع للإنتاجون من الفئة 1. وخلص إلى أن محطة معالجة مياه الصرف الصحي التابعة للأمم المتحدة هي مستودع مهم للإسهال الجيني بكتريا قولونية. Vegetable farming at the site should therefore be discontinued as it presents significant threat to the health of consumers of such vegetables.


Scientists create new class of “Turing patterns” in colonies of بكتريا قولونية

تعليقات القراء

شارك هذه القصة

Shortly before his death, Alan Turing published a provocative paper outlining his theory for how complex, irregular patterns emerge in nature—his version of how the leopard got its spots. These so-called Turing patterns have been observed in physics and chemistry, and there is growing evidence that they also occur in biological systems. Now a team of Spanish scientists has managed to tweak بكتريا قولونية in the laboratory so that the colonies exhibit branching Turing patterns, according to a recent paper published in the journal Synthetic Biology.

"By using synthetic biology, we have a unique opportunity to interrogate biological structures and their generative potential," said co-author Ricard Solé of Universitat Pompeu Fabra in Barcelona, Spain, who is also an external professor at the Santa Fe Institute. "Are the observed mechanisms found in nature to create patterns the only solutions to generate them, or are there alternatives?"

In synthetic biology, scientists typically stitch together long stretches of DNA—which can be taken from other organisms, or be entirely novel—and insert them into an organism's genome.

As we've reported previously, Turing was attempting to understand how natural, nonrandom patterns emerge (like a zebra's stripes or a leopard's spots), and he focused on chemicals known as morphogens in his seminal 1952 paper. He devised a mechanism involving the interaction between an activator chemical that expresses a unique characteristic (like a tiger's stripe) and an inhibitor chemical that periodically kicks in to shut down the activator's expression.

قراءة متعمقة

Both activator and inhibitor diffuse throughout a system, much like gas atoms will do in an enclosed box. It's a bit like injecting a drop of black ink into a beaker of water. Normally this would stabilize a system: the water would gradually turn a uniform gray. But if the inhibitor diffuses at a faster rate than the activator, the process is destabilized. That mechanism will produce a so-called "Turing pattern": spots (like on a leopard) or stripes (like on a tiger).

James Murray, emeritus professor of mathematical biology at the University of Oxford and an applied mathematician at Princeton, imagined a field of dry grass dotted with grasshoppers for an article I wrote for Quanta back in 2013:

If the grass were set on fire at several random points and no moisture were present to inhibit the flames, Murray said, the fires would char the entire field. If this scenario played out like a Turing mechanism, however, the heat from the encroaching flames would cause some of the fleeing grasshoppers to sweat, dampening the grass around them and thereby creating periodic unburned spots in the otherwise burned field.

Scientists have tried to apply this basic concept to many different kinds of systems. For instance, neurons in the brain could serve as activators and inhibitors, depending on whether they amplify or dampen the firing of other nearby neurons—possibly the reason why we see certain patterns when we hallucinate. There is evidence for Turing mechanisms at work in zebra-fish stripes, the spacing between hair follicles in mice, feather buds on a bird's skin, the ridges on a mouse's palate, as well as the digits on a mouse's paw. Certain species of Mediterranean ants will pile the dead bodies of ants into structures that seem to exhibit Turing patterns, and there is evidence of Turing patterns in the movement of Azteca ant colonies on coffee farms in Mexico.

In essence, it's a type of symmetry breaking. Any two processes that act as activator and inhibitor will produce periodic patterns and can be modeled using Turing's diffusion function. The challenge is moving from Turing's admittedly simplified model to pinpointing the precise mechanisms serving in the activator and inhibitor roles. This is especially challenging in biology, where scientists are keen to shed more light on the question of how a complex embryo can emerge from tissue that is completely homogenous.

For this latest study, Solé and his collaborators opted to work with colonies of بكتريا قولونية, genetically engineering the bacteria to introduce a mechanism to generate spatial patterns. "We wanted to build symmetry breaking that is never seen in colonies of بكتريا قولونية, but is seen in patterns of animals, and then to discover which are the essential ingredients needed to generate these patterns," said co-author Salva Duran-Nebreda, now a postdoc at the Institut de Biologia Evolutiva in Barcelona.

Solé's team found inspiration in the underlying mechanisms of how ants and termites build their nests. Their altered بكتريا قولونية system consisted of three critical components: a group of regular-sized cells that divided and diffused normally (the activator) a group of elongated cells unable to divide or diffuse (the inhibitor) and a molecule known as a lactone that helps regulate gene expression in بكتريا قولونية، enabling them to communicate through so-called quorum sensing.

The researchers then observed how the colony grew and evolved. The shape started out as a circle, but as the days progressed and it kept spreading outward, the colony began sprouting regularly spaced "branches" around the edge, in keeping with Turing's theory—like a flower with petals.

"We have seen that by modulating three ingredients we can induce symmetry breaking. In essence, we have altered cell division, adhesion between cells and long-distance communication capacity (quorum sensing), that is to say, perceive when there is a collective decision," said Duran-Nebreda.

The authors hope to apply their findings to other biological systems, such as social insects. Their work provides "a new conceptual framework to create Turing-like patterns in microbial communities, and the relevance of this study goes far beyond this specific implementation," said Solé. "We suspect that hidden under the complexity of entangled gene interactions lies the kind of self-organization principles envisioned by Turing."


Discovery of بكتريا قولونية.

بكتريا قولونية was first identified in 1885 by German-Austrian pediatrician and microbiologist Theodor Escherich. Escherich first discovered the bacteria in the feces of his patients as a part of his research identifying the role of gut flora in early infantile and childhood development. Escherich demonstrated that gut flora, including بكتريا قولونية, is a critical part of digestion and that imbalances in gut flora can cause pathologies. He was also well known for his pioneering work in using X-rays as a diagnostic tool in children.


شاهد الفيديو: محاضرة الإيشيريشيا كولاي Escherichia coli Lecture (ديسمبر 2022).