Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Бактерии

Из песочницы Эта музыка будет вечной или генетическое программирование

15.09.2020 14:04:30 | Автор: admin
Писать можно о разном, даже более того на разном. Вот и программирование как таковое тоже бывает не ограничено определенными рамками, привычных всем стереотипов, связанных с компьютерами. Ранее на Хабре уже выходили статьи про так называемое литературное программирование и о том, почему оно может быть даже лучше классического. К сожалению, там же объяснялось и то, почему оно не так распространено попробуй уместить в одном человеке хорошего писателя и программиста. Но вот если взять поэта



Но я забегаю вперед, эта история началась несколько раньше, в 1966 году, когда десятого августа появился на свет человек, который при рождении получил весьма интересное имя Христианская Книга (Christian Book), что говорит хотя бы о том, что его родители были довольно эксцентричными людьми. Ребёнок впоследствии повзрослел и сменил его на более благозвучное, став зваться Кристианом Бёком (Christian Bk). При этом важно отметить, что скандинавом он не является это скорее дань уважения культуре северных народов, на что и намекает пресловутая .

Несмотря на то, что родители так экстравагантно назвали своего сына, они все же хорошо позаботились о его образовании. Бёк получил степень бакалавра и магистра в Карлтонском университете, а также докторскую степень по английскому языку в Йоркском университете в Торонто, где он впервые заинтересовался авангардной поэтикой канадских писателей, таких как bpNichol, Steve McCaffery и Darren Wershler-Henry. Пожалуй, его университетские годы можно назвать отправной точкой очень долгого маршрута в стезе поэзии. Увлечение языком не прошло даром и заставило его задуматься о вечности, и литературе, как способе оставить свой след в этом мире.

Начинал он, в принципе, относительно стандартно, с выпуска поэтических сборников, в которых он всего лишь пересматривал некоторые термины. Например, он решил конфисковать термин кристаллография у геологов, и ввернуть его в литературу, так как по его мнению он лучше всего подходит именно писателям, ведь кристалл это еще и чистый, а графо означает писать. Его сборник Кристаллография был номинирован на престижную Мемориальную премию Джеральда Ламперта, что подстегнуло его продолжать литературные эксперименты. Следующим была книга Eunoia (Coach House Books, 2001), которая отличалась весьма интересной структурой липограммой, где в каждой из глав была только одна гласная. Этот сборник получил поэтическую премию Гриффина в 2002 году.

Судьи оценили такой каламбур особенно, если учесть, что название этой книги содержало в себе пять гласных и при этом было самым коротким словом в английском языке с такими свойствами. По мнению комиссии, подход Кристиана позволил надлежащим образом раскрыть тему произведения и куда лучше донести до читателей его смысл. Как по мне, сие является попыткой превзойти предыдущих и даже ныне живущих конкурентов, за счет собственного стиля и так как премию все же дали, её можно счесть удачной. Пока что все находилось в достаточно привычных для человеческого понимания рамках и если бы все так и оставалось, то и самого этого текста не существовало.


Помимо литературных дарований у Кристиана Бёка началась и преподавательская карьера в Университете Калгари, а значит, появился доступ к лабораториям, что ему в значительной степени пригодилось. Где-то там он и обратил внимание на одну интересную бактерию Escherichia coli, более известную под названием Кишечная палочка. Как известно, она является достаточно распространенной и часто обитает в кишечнике теплокровных, в основном она является безвредной, за исключением одного штамма. Кристиану не было дела до опасности, он решил заняться этой бактерией из-за ее распространенности и уникальности, так как, по его мнению, поэзия должна жить вечно.


Кишечная палочка была выбрана еще из тех соображений, что с ней намного проще работать, что доказывают многочисленные эксперименты, проведенные ранее. Более того, именно с нее и началась биотехнология. Если точнее началась она с кишечной палочки и одного деликатесного магазина в Гонолулу, которого уже нет. Дело не в грязных руках повара, там пересеклись два довольно значимых ученых Стэнли Коэн, один из основателей современной биотехнологии и биохимик Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Они приехали в Гонолулу, чтобы принять участие в совещании по плазмидам-кольцам ДНК, содержащимся в бактериях.


Коэн высказал предположение о том, что существует возможность редактировать кишечную палочку за счет введения в нее плазмидной ДНК, что могло бы позволить исследователям размножать и клонировать плазмиды в самих бактериях и помогло бы в дальнейших исследованиях. Герберт Бойер специализировался на работе с ферментами, в частности, он представил фермент Экори, который способен расщеплять двухцепочечную молекулу ДНК и получать одноцепочечные идентичные концы.

Оба видели потенциал для объединения этих двух открытий в том, что станет в дальнейшем генной инженерией. Во-первых, следует использовать EcoRI для срезания как плазмидной ДНК, так и её отобранной части. Затем, когда идентичные ДНК-терминали открыты, выбранный фрагмент ДНК прикрепляется к плазмидной ДНК и все это вместе клонируется в E. coli.

Сначала они обсуждали сотрудничество в гастрономе неподалеку от пляжа Вайкики. Их беседа за поздним ужином привела к научному достижению, которое впоследствии потрясло мир науки. В течение года они клонировали молекулы ДНК, полученные путем сращивания фрагментов ДНК двух различных плазмид, создавая таким образом рекомбинантную ДНК. Были заложены основы биотехнологии.

Бойер и Коэн выбрали разные пути, оба обеспокоенные безопасностью технологии рекомбинантной ДНК (что привело в 1975 году к Асиломарской конференции, где ученые, специалисты по этике и журналисты размышляли о последствиях генной инженерии). В то время как Коэн оставался в академических кругах и защищал технологию рекомбинантной ДНК на слушаниях в Конгрессе США, Бойер видел потенциал для получения прибыли. В 1976 году в Южном Сан-Франциско Бойер и венчурный инвестор Роберт Свенсон основали Genentech, первую в мире биотехнологическую компанию.

Пионеры из Genentech в Калифорнийском технологическом институте были первыми, кто синтезировал ДНК в лаборатории. Они хотели использовать кишечную палочку в качестве фабрики для синтеза белков млекопитающих. Доказательство принципа было продемонстрировано ранее Коэном и его коллегами из Стэнфорда, когда они использовали бактерии для производства функционирующего белка мышиной клетки. Ученые из Genentech в конце концов преуспели, произведя человеческий гормон под названием соматостатин в бактериях и таким образом возвестили эру коммерческой биотехнологии. Вскоре после этого началось производство инсулина и гормона роста.

Суть первого эксперимента


Так как для биотехнологов кишечная палочка было привычной вещью и часто использовалась в разного рода изысканиях, то выбор нашего поэта становится довольно понятен. Осталось найти, чем именно он вдохновлялся, зачем он вообще решил связаться с биотехнологиями. Причем нужно учитывать еще один интересный факт предыдущая его работа, Eunoia стала абсолютным бестселлером, и он мог бы почивать на лаврах, так как для поэзии, особенно, канадской подобное достижение является весьма впечатляющим.

Но нет. Заинтересовавшись экспериментом Пак Чунг-Вонга и его команды ученых из Тихоокеанской Северо-западной Национальной Лаборатории в Ричленде, штат Вашингтон, которым удалось зашифровать текст песни Уолта Диснея It's A Small World в бактерии, а затем восстановить сообщение после нескольких поколений воспроизведения, Бёк решил попробовать нечто подобное с оригинальным произведением, а именно - стихотворением. Но просто записать в ген стих для канадца оказалось мало. Он решил поступить несколько иначе.


То, что я надеялся сделать говорит Бёк это немного продвинуть эти проекты, пытаясь заставить организм действительно прочитать сообщение и сделать что-то в ответ Я разработал поэму таким образом, что, когда она имплантируется в этот организм, организм может фактически прочитать последовательность генов и интерпретировать ее, как набор инструкций для построения белка.


При этом, предположил Бек, организм должен быть способен расшифровать второе стихотворение зашифрованное внутри первого.

В сущности, я должен написать одно стихотворение так, чтобы оно могло быть переведено организмом в другое стихотворение.


Основное воздействие, побуждающее к этому грандиозному эксперименту, пришло из какого-то необычайно банального места: страницы-головоломки ежедневной газеты. Бёк удивлялся, глядя на криптограммы, в которых человек анализирует порядок и частоту букв, чтобы расшифровать различимое предложение, почему создатели головоломок никогда не думали о том, чтобы сделать оригинальное, закодированное сообщение само по себе различимым.

Почему бы не создать головоломку, способную кодировать одно грамматически правильное предложение внутри другого? Чтобы шарада была сама в себе и могла изменяться со временем. Так и появился Xenotext.

Как и стихотворение, закодированное в самой бактерии, Ксенотекст состоит из двух частей. Первый том, вышедший этой осенью в издании Coach House Books, поэт описывает как своего рода трейлер фильма для того, что появится во втором томе, в котором будут подробно описаны результаты продолжающегося эксперимента. Настоящие стихи ксенотекста, данные, весь этот безумный научно-фантастический материал все это появится во второй книге.

В духе мыслителей прошлого, Бёк задумал некое упражнение, которое исследует эстетический потенциал генетики в современной среде, делая это для того, чтобы сделать буквальным известный афоризм Уильяма С. Берроуза, который заявлял: Слово теперь вирус. В этом эксперименте он предлагал рассмотреть некоторые социологические следствия биотехнологии, создав Ксенотекст прекрасное, аномальное стихотворение, где чужие слова могли бы существовать, подобно безвредному паразиту, внутри клетки другой формы жизни.

Другой ученый, Стюарт Кауфман, согласился предоставить Бёку в свободное от работы время свою лабораторию, чтобы он мог сочинить образец своей живой поэзии. Кауфман известный теоретик, который утверждал, что сложная, но упорядоченная структура каждой живой системы возникает спонтанно из основополагающих принципов самоорганизации, не менее важных, чем законы селективной эволюции. Сначала он получил образование специалиста в области гуманитарных наук (с намерением стать поэтом), а затем продолжил карьеру в области изучения генетики. Таким образом, пути двух людей пересеклись, и они решили действовать сообща, чтобы увековечить свои имена.

Я предлагаю закодировать короткий стих в последовательность ДНК, чтобы имплантировать его в бактерию, после чего я планирую документировать ход этого эксперимента для публикации. Я также планирую сделать соответствующие произведения искусства для последующей выставки делился планами Бёк.


В итоге получилось следующее.

Флуоресцирующий протеин передал одно сообщение:
the faery is rosyof glowin fatewe rely

А взаимодополняющие кодоны, направляющие его конструкцию второе, уже с другим смыслом:
any style of lifeis primoh staymy lyre

То, что дает первая книга, это своего рода адский гримуар, информирующий проект. Дело приняло довольно мрачный оборот, говорит Бек о материале первого тома. Она превратилась в своего рода Ноктюрн о смысле жизни и поэзии в огромной вселенной, которая кажется безразличной к нашему существованию. То, что началось как эксперимент по обучению бактерии чтению, говорит Бек, превратилось в медитацию на вымирание. Это своего рода адская медитация о ценности поэзии.


Стихотворение получилось кратким (так что закодированный генетический текст может легко вписаться в геном без ущерба для функции самого организма). Работа в итоге касается взаимосвязи между языком и генетикой, делая это саморефлексивно и самоаналитически. В этом передана красота как поэтического текста, так и его биотической формы.

Однако кишечная палочка не особо удовлетворила требованиям к бессмертию произведения, которого так хотел достичь поэт для своих произведений. Тем более, ранее упомянутый Пак Чунг-Вонг оказался куда более безумным. Для своих экспериментов он использовал весьма интересную бактерию Deinococcus radiodurans.

Deinococcus radiodurans



Deinococcus radiodurans экстремофильная бактерия, один из самых радиационно-устойчивых организмов. Она может пережить холода, обезвоживание, вакуум и кислоту, поэтому известна как полиэстремофил и внесена в Книгу рекордов Гиннеса как самая стойкая бактерия в мире.

Специфическое расширение некоторых семейств белков наблюдалось при анализе нескольких бактериальных геномов. Во многих случаях, по-видимому, существует некоторая связь между семействами белков и средой обитания бактерий. D. radiodurans обладает рядом семейств, которые значительно расширены по отношению к другим бактериям.

D. radiodurans выдерживает дозу до 10000 греев это притом, что человек способен выдержать только 5 греев.

Предположительно, высокая устойчивость к действию ионизирующего излучения возникла как следствие возникновения устойчивости к высушиванию, так как механизмы повреждения ДНК, а, следовательно, и устойчивости к радиации и высушиванию сходны, к тому же D. radiodurans синтезирует т. н. LEA-белки, предотвращающие агрегацию белков во время высушивания.

Выбор становится в целом понятен эту бактерию практически невозможно убить, она способна выжить в ядерном реакторе, прекрасно переносит жару, засуху, холод и излучение. Следовательно, если что-то записать внутри данной бактерии, то это вполне возможно сохранится миллионы лет или даже переживет человечество. Причем размножится в невероятных масштабах.

Ценность эксперимента


Эксперимент Ксенотекст стремится заразить язык генетики поэтическими векторами своего собственного дискурса, делая это для того, чтобы расширить саму поэзию за формальные пределы книги. Бёк предвидел, что по мере того, как поэзия адаптируется к тысячелетнему состоянию такой инновационной технологии, стихотворение вскоре может напоминать странный жанр научной фантастики, а поэт может превратиться в своего рода техника, работающего в лингвистической лаборатории. Поэт надеется, что проект действительно вызовет споры о будущем науки и поэтики.

Мы предвидим, что если наука сможет усовершенствовать процесс имплантации пространной текстовой информации в зародыш, то мы сможем не только обеспечить безопасный метод передачи секретных документов, но и поставить водяные знаки на клетках, чтобы отслеживать движение микробных заболеваний или растительных продуктов. Мы полагаем, что при таком бурном развитии технологий книги будущего могут больше не принимать форму кодексов, свитков или табличек, но вместо этого они могут интегрироваться в саму жизнь своих читателей

Проект подчеркивает ту степень, в которой современная социальная среда теперь считает само собой разумеющимся, что дискурсивные структуры эпидемиологии (как это видно, например, в таких понятиях, как вирусный маркетинг или вирусные вычисления) могут применяться к передаче идей по всей нашей культуре.

Если поэт играет роль хозяина для зародыша слова, то ему возможно придется изобрести более инновационный словарь, чтобы описать эту эпидемию, называемую языком. Такое стихотворение могло бы продемонстрировать, что с помощью наноскопических биологических эмиссаров мы могли бы начать передавать сообщения через межзвездные расстояния или даже более эпохальные интервалы, так что, в отличие от любого другого культурного артефакта, созданного до сих пор (за исключением, возможно, зондов-пионеров или Вояджеров), такое стихотворение, хранящееся в геноме бактерии, могло бы предположительно пережить саму земную цивилизацию, сохранившись как секретное сообщение в бутылке, случайно брошенной в гигантский океан, тем самым увековечив нас.

Подробнее..

Паучий шелк из фототрофных бактерий

15.07.2020 10:05:23 | Автор: admin


Как мы уже давно знаем, природа является отличным источником вдохновения для многих исследований, открытий и экспериментов. Птицы и крылатые насекомые показали нам, что небо вполне достижимо, водные млекопитающие подсказали, как нам продлить свое пребывание под водой, а пауки доказали, что даже самые маленькие существа способны создавать нечто невероятное. В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые из института физико-химических исследований (Вако, Япония) нашли способ создавать искусственную паутину за счет фототрофных бактерий. Как именно они этого достигли, насколько натуральна полученная паутин и почему использовались именно фототрофные бактерии? Ответы на эти и другие вопросы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Для многих людей пауки это о Боже, уберите его с меня! или фу, какая гадость. Однако, отбросив фобии и предвзятое отношение к этим созданиям, можно рассмотреть, насколько уникальны эти восьминогие хищники. Анатомия пауков буквально создана для идеальной охоты. С одной стороны, есть яд, способный парализовать или даже убить добычу или неприятеля. С другой отлично развитые органы чувств (особенно осязания за счет трихоботрий (волосков) по всему телу). Визитной карточкой пауков, ставшей основой для многих метафор и крылатых выражений, является их паутина.


Ролик о том, как пауки производят свою знаменитую паутину.

По своей сути, паутина это белок, состав которого богат на глицин (C2H5NO2), аланин (NH2-СH(СН3)-СООН) и серин (HO2C-CH(NH2)CH2OH). Образуется паутина в специальной железе, где пребывает в жидком виде.

Когда секрет железы выделяется наружу через многочисленные прядильные трубочки, специальные паутинные бородавки формируют из него нити, которые паук использует в строительстве своих смертоносных ловушек.

Нити паутины уникальны, ибо их механические характеристики превосходят многие другие материалы. К примеру, предел прочности на разрыв паутины у обыкновенного крестовика (Araneus diadematus) составляет 1.1-2.7 ГПа, у человеческого волоса 0.25 ГПа, а у стали 0.4-1.5 ГПа. Плотность паучьего шелка составляет 1/6 плотности стали (1.3 г/см3). То есть, если обогнуть Землю паутиной, то ее вес составит всего лишь 500 грамм. Плотность энергии составляет примерно 1.2108 Дж/м3. Также шелк пауков крайне пластичный, т.е. может растягиваться в 5 раз от изначальной длины (в расслабленном состоянии) без каких-либо разрывов. Ударная вязкость паутины сравнима с полиарамидными нитями. Пауки не относятся к экстремофилам, но их паутина может легко пережить температуру от -40 C до 220 C. Кроме того, биоразлагаемые и биосовместимые свойства шелка делают его пригодным для применения в медицинских целях.


Сравнение прочности на растяжение стальной нити и паучьего шелка (соответствующей плотности).

Любопытно и то, что один вид пауков может производить несколько разных по свойствам и применению типов паутины (пауки вида Argiope argentata производят целых 5 вариантов паутины):

  • для внешних граней и каркаса паутины (очень прочная);
  • для областей захвата добычи (очень липкая, эластичная и прочная);
  • для кокона с потомством (напоминает затвердевший шелк);
  • для обволакивания добычи (может быть в 2 или 3 раза прочнее каркасной паутины);
  • для временных линий во время строительства основной паутины;
  • для создания креплений между линиями паутины или между паутиной и местом ее крепления.

Это лишь краткое описание паучьего шелка, но и того достаточно, чтобы понять уникальность этого вещества. Именно потому многие ученые уже достаточно давно пытаются создать искусственный эквивалент паутины. У многих это вполне успешно получается. Однако остается нерешенной проблема массовости производства.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предложили решение этой проблемы. Заключается оно в использовании пурпурной бактерии Rhodovulum sulfidophilum, обладающей свойствами как фототрофов*, так и галофилов*.
Фототрофы* организмы, использующие свет для получения энергии.
Галофилы* тип экстремофилов, обитающих в условиях высокой солености.
R.ulfidophilum это морская аноксигенно фотосинтезирующая* бактерия с разными метаболическими особенностями, которая продуцирует биоводород, биопластик и внеклеточные нуклеиновые кислоты.
Аноксигенный фотосинтез* в отличие от обычного фотосинтеза, в процессе аноксигенного не происходит образования молекулярного кислорода.
Но самым важным для ученых навыком R.ulfidophilum является ее возможность расти в фотоавтотрофных условиях за счет использования недорогих и возобновляемых ресурсов, таких как свет (энергия), CO2 (источник углерода) и N2 (источник азота), посредством процессов фотосинтеза и фиксации азота. Кроме того R.ulfidophilum прекрасно чувствует себя в морской воде, что способствует снижению риска биологического загрязнения во время культивирования.

За последние годы был достигнут неплохой результат в массовом производстве спидроина (MaSp, белок паучьего шелка) с применением рекомбинантных организмов-хозяев (бактерия Escherichia coli, дрожжи Pichia pastoris, шелкопряд Bombyx mori, табак, культуры клеток млекопитающих и т.д.).

Авторы сего труда не отрицают успех своих предшественников, но отмечают крайне малые объемы производства и достаточно высокую стоимость конечного продукта из-за высокой стоимости самого производства (в случае микробной ферментации 70% затрат производства составляет сырье).

В своем исследовании авторы предлагают новую методику экономичного и эффективного производства паучьего шелка за счет бактерии R.ulfidophilum, способную продуцировать гидрофобную повторяющуюся последовательность MaSp1 (спидроин-1) с использованием небольшого количества органического вещества в условиях фотогетеротрофного или фотоавтотрофного роста.

Результаты исследования


Для начала необходимо было подготовить бактерии R.ulfidophilum.

Ранее сообщалось о возможности введения экзогенной плазмидной ДНК в R.ulfidophilum посредством бактериальной конъюгации* с использованием плазмид, полученных из pCF1010, и E.coli S17-1 в качестве донорного штамма.
Конъюгация* однонаправленный перенос части генетического материала при непосредственном контакте двух бактериальных клеток.
В данном исследовании было решено использовать другой вектор (pBBR1MCS-2), содержащий ген устойчивости к канамицину, ген mob, кодирующий специфическую нуклеазу, и источник переноса (oriT*), которые широко использовались в грамотрицательной бактериальной конъюгации.
oriT* представляет собой короткую последовательность (до 500 п.н.), необходимую для переноса содержащей ее ДНК от бактериального хозяина реципиенту во время бактериальной конъюгации.
В хромосоме R.ulfidophilum (инвентарный номер NZ_CP015418) два гена устойчивости к теллуриту, кодирующие белок устойчивости к теллуриту семейства TerB, присутствовали в локусах A6W98_RS06280 и A6W98_RS17070.

Признаки устойчивости к канамицину и к теллуриту использовались в качестве маркеров для отбора положительных конъюгантов R.ulfidophilum.

Плазмида* pBBR1-Ptrc-MaSp1 содержала:

  • промотор* trc (Ptrc), который является сильным гибридным конститутивным промотором в E.coli;
  • последовательность AGGAGA области связывания рибосом (RBS);
  • повторяющаяся последовательность доменов гена MaSp1 из Nephila clavipes, оптимизированная по кодонам (единица генетического кода) для E.coli (1a, 1b).
Плазмида* небольшая молекула ДНК, отделенная от хромосом и способная к самостоятельной репликации.
Промотор* последовательность нуклеотидов ДНК, опознаваемая РНК-полимеразой как место для начала транскрипции (синтез РНК из ДНК).
Приблизительно 0.4 г влажной клеточной массы (CWM от cell wet mass) было получено из 50 мл рекомбинантной культуры R.ulfidophilum, выращенной до стационарной фазы роста в фотогетеротрофных условиях, а именно из морского бульона (MB от marine broth) со светодиодной подсветкой при (730 нм, 2030 Вт/м2) в течение 4 дней.


Изображение 1

Несмотря на то, что избыточная экспрессия рекомбинантных белков MaSp1 не была четко обнаружена во всех рекомбинантных культурах R.ulfidophilum с помощью электрофореза белков в полиакриламидном геле / SDSPAGE (1c), методом белкового иммуноблота была подтверждена положительная экспрессия белков MaSp1 для всех созданных рекомбинантных клеток R.ulfidophilum, несущих pBBR1-Ptrc-MaSp1-(1-мер, 2-мер, 3-мер или 6-мер) (1d).
К-меры* подпоследовательности длиной k, содержащиеся в биологической последовательности.
Единственный повторяющийся домен в полученных конструкциях содержит 33 аминокислотных остатка следующего вида:

NH2-SGRGGLGGQGAGAAAAAGGAGQGGYGGLGSQGT-COOH.

Теоретическая молекулярная масса белков-мишеней, включая неспидроиновые последовательности (области расщепления His-Tag, S-Tag, энтерокиназы и тромбина) на N-конце составляет 7.9 кДа для 1-мера (81 аа); 10.5 кДа для 2-мера (114 ак); 13.1 кДа для 3-мера (147 ак) и 20.9 кДа для 6-мера (246 ак.).
Да обозначение Атомной единицы массы; кДа килодальтон (1 кДа = 103 Да).

Доминирующий аллель обозначается заглавной буквой (A против a). Поскольку каждый родитель предоставляет один аллель, возможны следующие комбинации: AA, Aa и aa.
В дополнение к подтверждению экспрессии белков MaSp1, была также проведена оценка их количества белков MaSp1, полученных из рекомбинантных культур R.ulfidophilum: ~ 310 мг/л (1-мер = 3.4 мг/л; 2-мер = 3.9 мг/л; 3-мер = 10.2 мг/л; 6-мер = 6.8 мг/л) или 3.56.9 % от общего количества белков. Для сравнения, гетерологичная экспрессия спидроинов в хорошо известной и широко используемой рекомбинантной системе E.coli способна продуцировать лишь ~ 0.31.2 мг/л очищенного спидроина.

Самым удивительным результатом, по словам ученых, в данном исследовании является демонстрация фабрик микробных клеток, основанных на морских фотосинтезирующих организмах, в которых можно применять режим фотоавтотрофного роста с использованием возобновляемого непищевого сырья и морской воды в качестве среды для культивирования.

R.ulfidophilum, несущий pBBR1-Ptrc-MaSp1-(6-мер), был культивирован в искусственной морской воде (Daigo ASW от artificial seawater) при освещении светодиодами (730 нм, 2030 Вт/м2) с бикарбонатной солью (1 г/л) в качестве источника неорганического углерода и газообразным азотом (0.5 л/д) в качестве источника азота. Продолжительность культивирования составила 7 дней ().


Изображение 2

Крупнейшее составное звено MaSp1-(6-мер) было выбрано для последующих экспериментов, потому что более высокая молекулярная масса MaSp1 привела бы к большей прочности на растяжение волокна шелка паука. Бикарбонат натрия использовался для подачи неорганического углерода, поскольку бикарбонатные соли обладают большей растворимостью и более низкими расходами на транспортировку, чем газообразный CO2.

Ранее ученые уже проводили эксперименты для определения необходимых условий освещения для роста клеток R.ulfidophilum: интенсивность (8 и 50 Вт/м2) и длина волны (730, 800 и 850 нм). В этом исследовании была проведена оценка влияния на рост рекомбинантной R.ulfidophilum нескольких дополнительных питательных веществ (дрожжевой экстракт, витамин, железо и фосфор), которые испытывают дефицит в среде ASW.

Сухая клеточная масса (CDM) уменьшилась с 0.90 г/л (со всеми питательными веществами) до 0.66 г/л в отсутствие дрожжевого экстракта и до 0.39 г/л в отсутствие фосфора. Также было определено, что рекомбинантная R.ulfidophilum не может расти в среде ASW без подачи NaHCO3, газа N2 или фосфора (2b; ASW + N2, ASW + C + N2, ASW + C + P, and ASW + P + N2).

CDM (~ 0.4 г/л) в таких вариантах ASW среды, вероятнее всего, произошла из инокулянтов* или посевных культур даже после того, как образцы были промыты 2% хлоридом натрия. Таким образом, источники углерода, азота и фосфора необходимы для роста рекомбинантной R.ulfidophilum в среде ASW.
Микробиологический инокулянт* биопрепараты, содержащие живые культуры микроорганизмов, полезных для растений.
Как и ожидалось, рост клеток значительно увеличился с 0.34 0.02 г/л (ASW + C + N2) до 0.58 0.08 г/л (увеличение в 1.7 раза) и до 0.81 0.02 г/л (увеличение в 2.4 раза) в присутствии дрожжевого экстракта (ASW + C + N2 + YE) и фосфора (ASW + C + N2 + P) соответственно.

Наивысший CDM был достигнут путем добавления дрожжевого экстракта и фосфора, что дало 1.04 0.06 г/л (увеличение в 3.1 раза).

Выход ~ 0.2 мг/л рекомбинантного белка MaSp1 (2% от общего количества белков), наблюдался в условиях ASW + N2, ASW + C + N2, ASW + C + P и ASW + P + N2 (2c и 2d). Продуцированию белка MaSp1 способствовало добавление дрожжевого экстракта, который значительно увеличивал выход белка MaSp1 с 0.12 0.10 мг/л (ASW + C + N2) до 3.93 2.76 мг/л (ASW + C + YE + N2).

Добавление дрожжей также увеличило процентное содержание MaSp1 в общем объеме белков с 1.2 1.0 до 6.9 5.3%. Любопытно, что добавление фосфора хоть и положительно влияло на увеличение CDM, но негативно влияло на выработку белка MaSp1.

По сравнению с ASW + C + YE + N2 в варианте среды ASW + C + YE + P + N2 выход белка MaSp1 снизился до 2.71 1.09 мг/л, а процентное содержание MaSp1 в общих белках до 3.9 1.6%.

Объяснением этих разностей в выработке белка в зависимости от среды культивирования может заключаться в функционале каждого из компонентов. Например, дрожжевой экстракт в основном является источником азота, который способствует биосинтезу белка. Между тем, фосфор является важным макроэлементом и гетероэлементом во многих важных клеточных соединениях, что способствует росту первичных продуцентов.

Для получения паучьего шелка в его привычном виде, необходимо было провести очистку MaSp1.


Изображение 3

Чтобы получить достаточное количество белка MaSp1 для экструзии волокна, была проведена ферментация () для производства MaSp1-(6-мер).

В целом, размеры спидроинов имеют положительную корреляцию с пределом прочности при растяжении до определенного размера молекулярной массы. Большие белки обладают большим количеством межцепочечных и внутрицепочечных взаимодействий, большим количеством запутываний и меньшим количеством дефектов на конце цепи.

Очищение MaSp1-(6-мер) проводили с использованием аффинной хроматографии через гистидиновую метку, которая присутствовала на N-конце генной кассеты MaSp1, и гель-фильтрационной хроматографией. В результате было получено ~ 10 мг очищенного MaSp1-(6-мер) (3b) из ~ 40 г CWM.

Шелковые волокна получали путем пипетирования 10 мас.% очищенного MaSp1-(6 мера), растворенного в гексафторизопропаноле (HFIP), в коагуляционную ванну с последующим ручным вытягиванием щипцами (3c). Наилучшие результаты были получены при использовании 90% 2-пропанола в качестве коагуляционной ванны, что вызывало относительно мягкое обезвоживание, что позволило эффективно вытягивать нити. Анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии показал, что волокна имеют диаметр 1020 мкм и поверхность, покрытую бороздками, параллельными оси волокна. Фрактография показала, что внутренняя структура состояла из микрофибрилл (3d и ).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые рассказали об успешном создании микро-фабрики по производству белка MaSp1. Основным передовиком этого производства является бактерия R.ulfidophilum, благодаря которой удалось достичь фотогетеротрофной экспрессии искусственного белка паутины в условиях фотоавтотрофного роста.

Другими словами, ученые генетически модифицировали бактерию для производства паучьего шелка, а точнее белка MaSp1, который является важной его составляющей. Помимо генетических манипуляций также необходимо было установить оптимальные условия культивации бактерии. Как оказалось, идеальной средой является искусственная морская вода. Дополнительно необходимо было использовать газообразный азот и дрожжевой экстракт в качестве источников питательных веществ. В совокупности эти составляющие приводят к эффективному росту бактерии и, следовательно, производству белка паутины.

Важно и то, что полученные из белка волокна паутины по своей структуре очень сильно напоминают натуральные, производимые пауками вида Nephila.

Ученые отмечают, что их метод выращивания белка паучьего шелка может быть использован и для выращивания других веществ. В дальнейшем авторы исследования планируют усовершенствовать свою микро-фабрику для повышения объемов производства белка и улучшения молекулярных характеристик результирующего продукта.

По мнению ученых, их труд может поспособствовать в решении многих проблем: энергетический, водный и продовольственный кризисы, проблемы с твердыми отходами, глобальное потепление и т.д. Причиной такого широкого спектра возможностей является факт того, что подобные фабрики производят биоразлагаемые и биосовместимые материалы с помощью углеродно-нейтрального процесса.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Запах сыра ароматическое взаимодействие бактерий и грибков

23.10.2020 10:09:29 | Автор: admin


Многие из нас любят сыры, коих существует множество видов. Некоторые из них достаточно нежные на вкус и практически не пахнут, другие же способны заполнить своим ароматом все помещение. Какой бы ни был сыр, он имеет свойство портиться, как и любой другой продукт питания. Во время этого на его поверхности активно размножаются бактерии и грибковые образования. Первым признаком того, что такой сыр лучше не есть, является странный запах. Ученые из университета Тафтса (Медфорд, США) выяснили, что этот запах служит своеобразным методом коммуникации между бактериями и грибками. Как именно происходит ароматическая болтовня микроорганизмов в сыре, как это влияет на созревание сыра, и как данное исследование может помочь пищевой промышленности и не только? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Я, признаться честно, люблю сыр. Не так, как Рокфор из мультфильма Чип и Дейл спешат на помощь, но все же. Один из моих любимых сыров вызывает у некоторых моих знакомых непроизвольное искривление лицевых мышц в недовольную гримасу, слова фу, какая гадость и, конечно же, сопутствующий вопрос как ты можешь это есть?. Думаю, многие уже догадались, что речь идет про сыр с плесенью. Но это не простая плесень, а благородная, что, правда, не отменяет того факта, что вид и запах у этого продукта крайне специфический.

Забавно и то, что некоторые считают, что сыр с плесенью не может испортиться. Это не так, естественно. Когда любой пищевой продукт начинает портиться, то на его поверхности и внутри него образуются нежелательные микроорганизмы в виде плесневых грибков и различных бактерий. От чего поверхность продукта и приобретает вид мохнатого цветного ковра.


Ролик о том, как производится голубой сыр.

В ходе жизненного цикла многие бактерии и грибки способны производить большое количество летучих органических соединений (ЛОС) в виде побочных продуктов своего вторичного метаболизма. Эти низкомолекулярные углеродсодержащие соединения переносятся по воздуху при температуре и давлении окружающей среды, что делает их идеальными химическими посредниками во взаимодействиях между микробами на больших расстояниях.

Летучие органические соединения бактерий и грибков являются объектами многих исследований, основной акцент которых ставится на то, как ЛОС одного микроорганизма влияют на биологию своей монокультуры. Однако никто еще не изучал как ЛОС организма из одной группы влияют на поведение организмов другой группы. Другими словами, никто пока не рассматривал летучие соединения в аспекте межвидовой коммуникации.

На данный момент известно, что ЛОС могут изменять профили устойчивости бактерий к антибиотикам, действовать как антибиотические соединения, способствовать групповому поведению и вызывать изменения в экспрессии генов ближайшего от источника микроба.

Существует также и предположение, что ЛОС могут влиять на рост слабых конкурентов или подавлять рост доминирующих видов, позволяя субдоминантам процветать. Но фактических примеров такого поведения пока не было обнаружено.

Профили ЛОС поверхностных микробов, растущих на сырных субстратах, подвергались детальному изучению для выявления потенциальной пользы с точки зрения производства данного продукта. Эти исследования показали, что грибы, обычно используемые в качестве заквасок (Debaryomyces hansenii, Galactomyces geotrichum и Penicillium spp.) играют ключевую роль в формировании вкусового профиля сыров. Грибы в заквасочной культуре могут продуцировать различные ЛОС в высоких концентрациях. Исследования также показали, что широко распространенные грибки из сырной корки оказывают сильное влияние на рост соседствующих бактерий. Однако, как заявляют ученые, механизмы, лежащие в основе этих взаимодействий, были плохо изучены.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученым удалось выяснить влияние грибковых ЛОС на рост микробов, охарактеризовать изменения в микробиоме в присутствии грибковых ЛОС и определить предполагаемые генетические механизмы, ответственные за ЛОС-опосредованные реакции у этих организмов.

Результаты исследования


Чтобы проверить, может ли продукция ЛОС вызвать рост у соседствующего микроба, было проверено влияние ЛОС пяти наиболее распространенных грибов сырной корки (Galactomyces geotrichum, Debaryomyces hansenii, Penicillium sp., Scopulariopsis sp., Fusarium domesticum) на грибы-продуценты и на филогенетически разнообразные бактерии, которые способны взаимодействовать с грибками (что известно из предыдущих исследований).


Изображение 1

Штаммы респондентов инокулировали в лунки 96-луночного планшета для культивирования клеток, содержащего сырно-творожный агар (CCA от cheese curd agar), и подвергали воздействию одного из пяти грибов-продуцентов, растущих в лунках противоположного планшета (1A). Такая установка позволяла оценивать влияние грибов на бактерии без непосредственного контакта между ними, т.е. исключительно посредством ЛОС.

В ходе наблюдений было обнаружено, что дрожжи и мицелиальные грибы не реагируют на ЛОС грибов-продуцентов в отличие от бактерий, степень реакции которых была крайне сильной и вариативной (1B). ЛОС всех пяти грибов вызывали различные реакции роста у группы тестируемых бактерий: сильная стимуляция, отсутствие эффекта и сильное ингибирование (замедление).

Одни из штаммов грибов-продуцентов (а именно Galactomyces geotrichum 242A) повлиял на наибольшее число бактерий, двое из которых (JB7 Brachybacterium alimentarium и BP626_1 Pseudoalteromonas sp.) отреагировали значительным замедлением роста. Также наблюдалось и сильное стимулирование роста двух других бактерий Psychrobacter sp. JB193 и Vibrio casei JB196. Штамм Staphylococcus equorum BC9 никак не отреагировал на ЛОС грибов-продуцентов. Из всех проверенных штаммов микробов Proteobacteria демонстрировала самые сильные реакции роста при воздействии со всеми пятью ЛОС грибов (1B).

ЛОС грибов также имело влияние и на сами грибы-продуценты. Так, грибы Vibrio продемонстрировали активный и стабильный рост: популяции выросли в 21.8 раза всего за 6 часов воздействия ЛОС из Galactomyces ().

Чтобы подтвердить, что эти взаимодействия устойчивы среди видов и штаммов Vibrio, была проведена количественная оценка способности близкородственных видов Vibrio, выделенных из других сыров (V. litoralis) и морской среды (V. fischeri), активнее расти при воздействии ЛОС грибов. В ходе этих наблюдений общее увеличение роста по всем видам / штаммам (1D) составило от 120 до 700% в зависимости от штамма реципиента.

Далее необходимо было определить, зависит ли стимуляция роста Vibrio от штамма гриба-продуцента. Штамм Vibrio casei JB196 подвергался воздействию штаммов Debaryomyces hansenii, различных видов Penicillium и штаммов Galactomyces geotrichum, выделенных из различных сырных корок. Эти грибы обычно встречаются вместе с Vibrio и имеют хорошо изученные профили ЛОС, тогда как ЛОС Scopulariopsis и Fusarium никогда не измерялись на сыре. Все штаммы разных грибов вызывали рост Vibrio, отличие было лишь в степени роста и его активности (). Это говорит о том, что широкий спектр грибов может вызывать рост, опосредованный ЛОС, независимо от генетического фона.

Ученые предполагают, что ЛОС обладают синергическим или аддитивным действием по отношению к другим нелетучим соединениям грибов.

Например, антибиотики ванкомицин и различные -лактамы проявляют повышенную антибактериальную активность в отношении некоторых грамотрицательных бактерий, когда их сначала обрабатывают ЛОС (а именно, эвгенолом C10H12O2).

Проверить верность вышеуказанной гипотезы ученые решили посредством экспериментов, в которых проверялись прямые эффекты секреции от грибкового партнера и отдаленные ЛОС-опосредованные эффекты одного и того же грибкового партнера.

Любопытно, что во время роста разных штаммов грибов и Vibrio в одной лунке, не наблюдалось какого-либо заметного влияния. Отсутствие положительного эффекта роста при выращивании Vibrio в прямом контакте с грибами (при отсутствии дополнительных летучих органических соединений) может быть связано с сильной конкуренцией с грибковым партнером за ресурсы.

Если же грибки и бактерии Vibrio, расположенные в одной лунке, подвергались внешнему воздействию летучих органических соединений, наблюдался активный рост последних.

Это указывает на то, что прямые взаимодействия между грибами и бактериями были незначительными, а стимуляция роста Vibrio связана с летучими соединениями, а не нелетучими, секретируемыми в сырную среду.

Также было установлено, что ЛОС грибов изменяют состав бактериального сообщества, способствуя развитию вибрионов (бактерий Vibrio).

Было высказано предположение, что сильные парные реакции роста Vibrio при воздействии грибковых ЛОС будут иметь последствия для сборки многовидового бактериального сообщества, в пользу сообщества, в котором преобладают Proteobacteri. Чтобы проверить, могут ли летучие органические соединения грибов влиять на разнообразие микробиома сырной корки, способствуя росту протеобактерий, была проведена характеризация изменений в структурах синтетического бактериального сообщества в модели сырной корки. Если точнее, то проводились измерения относительной численности членов сообщества, подвергшихся воздействию Debaryomyces, Penicillium и Galactomyces.

Три основных вида бактерий (Staphylococcus equorum, Brevibacterium aurantiacum и Brachybacterium alimentarium) и один вид Proteobacteria (Vibrio) были засеяны на сырно-творожный агар в равных концентрациях и подвергнуты воздействию грибковых ЛОС с использованием того же сэндвич-подхода, что был описан выше ().


Изображение 2

Это экспериментальное сообщество представляет собой типичный состав поверхностного микробиома, который можно найти на поверхности сыра.

Сравнение контрольной группы (без ЛОС) и экспериментальных групп Debaryomyces, Penicillium и Galactomyces показало наличие существенного сдвига в структуре сообществ, когда сообщества, содержащие Vibrio, подвергаются воздействию грибковых ЛОС (2B).

Как и предполагалось, воздействие грибковых ЛОС изменило состав бактериальных сообществ по сравнению с контрольной группой (2C), причем воздействие Galactomyces привело к самому высокому относительному содержанию Vibrio во всех вариантах обработки (без ЛОС: 9.7 4.1%; Galactomyces: 94.3 5.1%; Debaryomyces: 81.6 11%; Penicillium: 82.8 10.3%; 2D).

Микробное сообщество с преобладающей популяцией вибринов сохраняло стабильное состояние даже спустя неделю после инкубации. Это говорит о том, что подобные изменения состава сообщества не являются временными.

На следующем этапе исследования была проведена оценка экспрессии генов бактерий-реципиентов.

Чтобы лучше понять молекулярные механизмы, лежащие в основе опосредованного ЛОС стимулирования роста бактерий, был проведен анализ последовательности РНК на популяциях Vibrio, подвергшихся в течение 3 дней воздействию грибковых продуцентов ЛОС.


Изображение 3

Воздействие грибковых ЛОС вызвало сдвиг в глобальной экспрессии генов Vibrio с разницей между контрольной и опытной группами в 159 экспрессируемых генов (3A). Воздействие мицелиального гриба Penicillium привело к наибольшей перестройке глобального транскриптома Vibrio (). Из них 54 гена имели более высокий уровень экспрессии, а 87 генов имели более низкий уровень экспрессии в присутствии ЛОС.

Наиболее сильным паттерном дифференциально экспрессируемых генов при всех воздействиях грибковых ЛОС является повышенная экспрессия генов, участвующих в глиоксилатном шунте (3C и 3D). Этот шунт кодирует продукцию малатсинтазы G (aceB) и изоцитратлиазы (aceA). Это изменение в цикле трикарбоновых кислот позволяет клеткам использовать простые углеродные соединения (ацетат и другие жирные кислоты) в качестве источников углерода, когда более сложные источники (например, глюкоза) недоступны.

Анализ показал, что именно гены, кодирующие изоцитратлиазу и малатсинтазу G, были наиболее дифференциально экспрессируемыми генами в случае воздействия ЛОС (4-кратное и 11-кратное изменение соответственно).

Кроме того, ацетил-КоА-синтаза (acs), играющая важную роль в ацетатном переключении / активации шунта, увеличилась в среднем в 4 раза при воздействии (максимальное увеличение в 7.8 раза было при воздействии Penicillium; 3E).

Другие дифференциально экспрессируемые гены, которые активируются при воздействии ЛОС, включают гены, связанные с метаболизмом углеводов и дыханием (9 генов), метаболизмом азота (5 генов) и мембранным транспортом (4 гена), а также гены, участвующие в метаболизме витаминов (3 гена). Это указывает на то, что воздействие грибковых летучих органических соединений изменяет поступление питательных веществ и витаминов, доступных для Vibrio.

Однако были и гены, которые подавлялись ввиду воздействия ЛОС грибков. К ним относятся шесть генов, участвующих в плазмидах IncF, которые могут автономно реплицироваться и выполнять самые разные функции (устойчивость к антибиотикам, образование биопленок у Pseudomonas sp. и E. coli и т.д.).

Гены, участвующие в сборе железа (5 генов), метаболизме аминокислот и белков (5 генов), наряду с генами метаболизма калия и фосфора (3 гена), также были значительно подавлены (3B).

Суммарно эти результаты однозначно подтверждают, что ЛОС грибов имеет сильное влияние на метаболические гены бактерий.

Как мы уже поняли, ЛОС грибов сильно влияют на рост бактерий Vibrio. Однако остается загадкой, какие механизмы протекают в этом случае и какие должны быть концентрации участвующих соединений.

Ученые предположили, что ЛОС можно использовать в качестве субстратов, которые попадают в глиоксилатный шунт на уровне ацетил-КоА в качестве единственного источника углерода. Такие субстраты могут включать жирные кислоты, спирты и сложные эфиры (часто продукты метаболизма грибов), а также углеводороды и метилированные соединения.

Чтобы определить, могут ли определенные ЛОС, продуцируемые грибами из сырной корки, опосредовать взаимодействия, наблюдаемые выше, сначала было проверено влияние коммерчески доступной уксусной кислоты на рост Vibrio.

Уксусная кислота представляет собой низкомолекулярную короткоцепочечную жирную кислоту, способную диффундировать через клеточную мембрану Vibrio с образованием ацетил-КоА. Сложные эфиры и жирные кислоты, такие как уксусная кислота, широко обнаруживаются в сырах со зрелой поверхностью и часто вырабатываются в высоких концентрациях дрожжами и нитчатыми грибами. В то время как другие соединения могут использоваться в глиоксилатном шунте, уксусная кислота может напрямую активировать глиоксилатный шунт, поэтому она и была выбрана для исследования.

Биоактивность уксусной кислоты проверяли, используя вариант сэндвич-анализа ЛОС, используемого ранее. Определенная концентрация уксусной кислоты была добавлена на фильтр-бумагу в лунке, противоположную Vibrio, а не грибам-продуцентам (4A).

Клетки подвергали действию одного соединения в пяти различных концентрациях в диапазоне от 0.1 до 1000 частей на миллион, что находится в пределах диапазона ранее описанных концентраций для различных грибов.

Результаты показали, что воздействие уксусной кислоты увеличивало рост Vibrio (4B).


Изображение 4

Это соединение вызывало реакцию роста на уровне, аналогичном общему росту, индуцированному смесью ЛОС грибов. Также важную роль играла и концентрация. При 0.1-100 частей на миллион уксусная кислота влияла на рост Vibrio, но при концентрации свыше 1000 такого эффекта практически не было.

Ученые отмечают, что выработка кислоты может влиять на уровень pH и токсичность, которые могут тем или иным образом влиять на рост бактерий. Для проверки этой теории были проведены измерения рН среды, где росли бактерии из контрольной группы, и среды, где бактерии подвергались воздействию ЛОС грибов. Однако анализ данных показал, что реакция роста бактерий никак не связана с уровнем рН.

Уксусная кислота также имела значительное влияние на состав микробного сообщества. Тогда как в контрольной группе было примерно 19% вибрионов, в группе, подвергшейся воздействию кислоты, этот показатель вырос практически до 100% (). Это говорит о том, что уксусная кислота и другие ЛОС влияют на рост разных бактерий в рамках одного микробиома по-разному. В данном случае рост и увеличение численности Vibrio и снижение численности других бактерий.

Следовательно, уксусная кислота это ЛОС, которое может индуцировать шунт глиоксилата и стимулировать рост вибрионов. Однако необходимо установить, производят ли грибы это соединение.

Чтобы выяснить это, ученые проанализировали ЛОС, производимый штаммом Galactomyces geotrichum 242A, штаммом Debaryomyces hansenii 135B и Penicillium sp. штамм 12.

Анализ показал, что вырабатываемой уксусной кислоты крайне мало, ее уровень практически сопоставим с фоновым. Однако вырабатывалось достаточно много других эфиров, содержащих ацетат: масляная кислота, амилацетат, гептилацетат и 3Z-гексенилацетат.

Далее было проверено, может ли какой-то из этих соединений влиять на рост бактерий и их популяцию (4A). Через 3 дня популяции Vibrio, подвергшиеся воздействию гептилацетата и метилизобутриата в концентрациях 0.1 частей на миллион, увеличились в 81.5 и 163 раза соответственно (4B).

Эти эксперименты демонстрируют, что ацетатсодержащие соединения, продуцируемые грибами сырной корки, могут вызывать реакцию роста у Vibrio и могут изменять состав бактериального сообщества сырной корки.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Созревание сыра и формирование его вкуса напрямую связано с микробиомом, обитающим на его поверхностях. В данном труде ученые установили, что некоторые грибы влияют на рост бактерий. Учитывая, что последние отвечают за вкусовые и ароматические характеристики сыра, этот процесс нельзя назвать малозначимым.

По мнению ученых, их труд позволяет лучше понимать механизмы взаимодействия между микроскопическими организмами не только внутри одной видовой группы, но и между разными группами. Кроме того, полученные знания могут пригодиться производителям сыров, ведь меняя концентрацию того или иного летучего органического соединения, они смогут производить совершенно уникальные с точки зрения гастрономии сыры.

В том, что наука влияет на пищевую промышленность, нет ничего удивительного, ибо это происходит уже не первую сотню лет. Однако подобные исследования все же удивляют своей креативностью, уж простите за такой термин. Но, какой бы смешной на первый взгляд ни была тема исследования, его суть имеет гораздо больше глубины. Чем лучше мы понимаем процессы, протекающие в микробиоме, тем больше у нас будет возможностей на них влиять. Бактерии и грибы, как мы знаем, часто мелькают в исследованиях медицинского характера, в трудах по переработке пластика, им даже нашлось место в космонавтике и астрономии. Посему, вполне логично, что понимание мира бактерий и грибков влияет на развитие нашего.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Предки митохондрий были паразитами?

21.03.2021 20:19:46 | Автор: admin

Митохондрии - это эукариотические органеллы, которые когда-то давно были бактериями. Конечно кто-то может возразить, что это всего лишь гипотеза, однако эта гипотеза уже давно переросла в эндосимбиотическую теорию и является общепринятой в кругах учёных.
Так уже давно считается, что митохондрии произошли когда-то от альфа-протеобактерий, вероятно, два миллиарда лет назад.

Однако остается неясным, что составляло начальный эндосимбиоз между альфа-протеобактерией и ее хозяином. В частности, какую роль сыграл митохондриальный предок, инициировавший эндосимбиоз? В связи с этим вопросом возникают и другие. Например;

  • В каких условиях возникли митохондрии?

  • Могли ли это быть микротоксические условия, или митохондрии возникли сугубо в кислородных условиях, а может всё-таки эти органеллы появились в аноксических условиях?

  • Возникли ли они одновременно с появлением ядра или после него?

  • Что было движущей силой первоначального симбиоза?

Для объяснения всех обстоятельств и ответов на все вопросы, связанные с основными эндосимбиотическими событиями, выдвигались разные гипотезы зачастую противоречащие друг другу. Так, например, Водородная гипотеза предполагала метаболическую синтрофию между водорода-продуцирующими альфа-протеобактериями и водорода-зависимыми археонами, как движущую силу эндосимбиоза.

водородные гипотезыводородные гипотезы


Эта гипотеза допускала возможность одновременного возникновения митохондрии и ядра, при этом одна и та же альфа-протеобактерия якобы также могла вносить свой вклад в рост ядра путем слияния своего генома с геномом хозяина. Следовательно, водородная гипотеза напрямую бросала вызов гипотезе последовательного эндосимбиоза, в которой хозяин считался изначально полноценным организмом свободно дышащим кислородом и содержавшим ядро

гипотеза эндосимбиозагипотеза эндосимбиоза

эукариот, что в свою очередь противоречило, гипотезе поглотителя кислорода, которая предполагала, что именно удаление токсичного кислорода альфа-протеобактериями из анаэробного хозяина привело к начальному симбиозу. Все эти гипотезы объясняют причины, того как произошли основополагающие события, но в тоже время и противоречили друг другу также, как противоречит концовке приквела любое начало сиквела Зловещих Мертвецов.

В связи с этим в последнее время стала набирать ещё одна гипотеза возникновения митохондрий, которая рассказывает нам о паразитических предках митохондриях. Эта гипотеза на данный момент кажется является более достоверной, так как подкрепляется большим количеством данных. Так в 2020 году вышло огромное филогенетическое исследование показывающее близкое родство митохондрий с паразитическими бактериями. [1]

Митохондрии являются сестринским таксоном по отношению к риккетсиям.Митохондрии являются сестринским таксоном по отношению к риккетсиям.

Но не менее интересное исследование, с которого всё и началось произошло в 2014 году [2].
Хотя мне следует чуть чуть поправить себя, так как предположения о митохондриях-паразитах высказывались не однократно и ранее, но именно это исследование можно назвать самым крутым и начальной точкой отсчёта к последующим событиям в научной среде. Поэтому сегодня именно его я и буду рассматривать.

А всё началось как раз с реконструкции митохондриального предка, который имеет большое влияние на наше понимание происхождения митохондрий. Так все выше описанные мной гипотезы объяснялись исследованиями, которые в основном были сосредоточены на реконструкции последнего общего предка всех современных митохондрий, так называемых прото-митохондрий, но не основывались на более информативных премитохондриях, которые по сути были ещё древнее прото-митохондрии, так как они включали последнего общего предка как митохондрий, так и их сестринской клады альфа-протеобактерий.

Группа протеобактерийГруппа протеобактерий

Сама по себе группа альфа-протеобактерий уже сама является очень интересной группой живых организмов, поскольку в неё включаются различные симбионты эукариот в том числе симбионты, которые являются патогенными, или условно-патогенными микроорганизмами. Например, в этой группе есть и облигатные внутриклеточные паразиты, которых можно назвать царями симбиоза, правда от которых, как и от царей обычно не ждёшь ничего хорошего.

Самые известные из них это вольбахии и риккетсиалы (отряд в который входят риккетсии). Последние нас интересуют больше всего, так как именно они успели поучаствовать в реконструкции предка митохондрий, а точнее их метаболизма в 2014-м году.

Rickettsia prowazekii в клеткеRickettsia prowazekii в клетке

Так чтобы получить представление об обстоятельствах, которые окружали начальное событие эндосимбиоза, учёные старательно реконструировали метаболизм прото-митохондрий и премитохондрий. Для этого они сначала восстанавливали прото-митохондриальные гены, которые в процессе эволюции были потеряны для ядра. Учёные назвали эти гены ядерными генами митохондрий. Восстановление этих генов являлось предпосылкой для реконструкции митохондриальных предков. Предыдущие попытки найти прото-митохондриальные гены были безуспешны так как основывались на довольно ограниченной доступности бактериальных и эукариотических геномов на момент их изучения [3;4].

Используя значительно увеличившееся представление геномов эукариот и альфа-протеобактерий, исследователи провели филогеномный анализ для систематической идентификации ядерных генов, происходящих из митохондрий. Гены эукариот с наибольшим попаданием в BLAST митохондрий / альфа-протеобактерий сначала были объединены в группы генов. Филогенетическое дерево было реконструировано для каждого семейства, и ядерные гены, которые сгруппировались с альфа-протеобактериями на деревьях, были идентифицированы как происходящие из митохондрий.

Внутри каждого класса слева направо представлены: 1) реконструированные прото-митохондрии в обозреваемом исследовании 2014 года, 2) не очень удачно реконструированные протомитохондрии, в исследовании Gabaldon et al. 2007, 3) реконструированные премитохондрии в обозреваемом исследовании 2014 года, 4) митохондриальный протеом человека.Внутри каждого класса слева направо представлены: 1) реконструированные прото-митохондрии в обозреваемом исследовании 2014 года, 2) не очень удачно реконструированные протомитохондрии, в исследовании Gabaldon et al. 2007, 3) реконструированные премитохондрии в обозреваемом исследовании 2014 года, 4) митохондриальный протеом человека.

Начав с 427186 генов из 30 эукариотических геномов, представляющих широкий диапазон филогенетического разнообразия, они идентифицировали 4459 генов, принадлежащих к 394 семействам, как ядерные гены митохондрий. Чтобы исключить недавний перенос генов, специфичных для клонов, между альфа-протеобактериями и эукариотами, генные семейства должны были присутствовать по крайней мере в двух альфа-протеобактериальных и двух эукариотических линиях. Собственно, так и произошло. Таким образом учёные смогли идентифицировать, что ядерные гены из 394 семейств присутствуют в прото-митохондриях.

метаболизм митохондрийметаболизм митохондрий

Далее учёные смогли реконструировать прото-митохондрию, а затем и метаболизм прото-митохондрий, восстановив все его пути, включая метаболизм пирувата, цикл TCA, транспорт электронов и рибосомный биогенез, а также биосинтез жирных кислот, бета-окисление, разрушение аминокислот с разветвленной цепью (лейцин, валин, изолейцин) и биосинтез убихинона, биотина и пула одной углеродной единицы.

Всё это есть и в современных митохондриях. Однако учёные обнаружили и то, чего в прото-митохондриях не было. Так в них отсутствовали функциональные категории, такие как репликация ДНК и транскрипция, также в значительной степени отсутствовали в реконструированном метаболизме и гетеротрофные углеводные обмены, такие как гликолиз и пентозофосфатный путь. Таким образом реконструкция прото-митохондрии показала упрощённого предка митохондрии более похожего на современную митохондрию, что опровергло предыдущие гипотезы о ближайших предках митохондрий, которые имели огромное множество разнообразных функций.

При дальнейшем изучении уже самих митохондрий учёные по-новому взглянули на метаболизм эукариот, происходящий главным образом благодаря этим органеллам. Особый интерес представлял ряд генов, участвующих в метаболизме липидов эукариот. Были идентифицированы несколько генов, участвующих в биосинтезе нуклеотидов de novo, как происходящих из митохондрий. Обнаружены были и ферменты, участвующие в биосинтезе стероидов предполагающие, что митохондриальный предок внес свой вклад в биосинтез оных. Вишенкой на торте можно назвать идентификацию церамидгликозилтрансферазы (COG1215).

Формула гликозилтрансферазыФормула гликозилтрансферазы

Сам по себе данный фермент есть во всех митохондриях и, казалось бы, тут нет ничего удивительного. Ну есть фермент такой участвующий в биосинтезе гликосфинголипидов, ну осуществляет он реакции гликозилирования церамидов и дальше-то что? Какой в этом интерес?

А интересно то, что этот фермент расположенный на ассоциированной с митохондриями мембране, специфическом субдомене ER, который связывает этот самый ER и митохондрии, обнаружился и в риккетсиях. Для понимания замечу, что все эти самые гликосфинголипидные, и церамидные структуры, повсеместно присутствуют в качестве важных мембранных компонентов почти во всех эукариотических клетках и митохондриях, а это в свою очередь говорит нам о том, что присутствие этих структур в бактериях являются крайне редкими. При этом, что интересно, ген отвечающий за все эти субстраты и гликолипидные продукты, присутствующий в бактериальных клетках всё же различается от эукариотических гликозилтрансфераз. Следовательно, данный факт указывает на бактериальное происхождение этого гена, который был приобретён эукариотами для новой функции по синтезу собственных эндомембран, а также по перекрестному взаимодействию и перемещению липидов между митохондриями и субодменом ER. Интересные результаты не так ли?

Байесовское консенсусное дерево было основано на конкатенированных белковых последовательностях 55 митохондриальных и ядерных генов.Байесовское консенсусное дерево было основано на конкатенированных белковых последовательностях 55 митохондриальных и ядерных генов.

А дальше ещё интереснее, ведь чтобы увеличить достоверность реконструкции учёные направили все усилия на реконструкцию наследственных черт премитохондрий. Так они секвенировали 5 новых линий риккетсиалов имеющие схожести с митохондриями. Помимо риккетсий учёные секвенировали 44 представителя других альфа-протеобактерий схожих с митохондриями, а в качестве внешней группы были использованы 6 представителей эукариот для реконструкции байесовского дерева на основе конкатенированного выравнивания белковых последовательностей 55 митохондриальных и ядерных маркерных генов.

В результате получилось, что митохондрии поместились в отряд к риккетсиалам в качестве сестринской клады по отношению к семействам Rickettsiaceae, Anaplasmataceae и Candidatus Midichloriaceae, которую в свою очередь были подчинены семейству Holosporaceae.
Стоит отметить, что представители этих семейств являются паразитами. Так, учёные в этой работе показали, что все пять линий секвенированных риккетсиалов тесно связаны с митохондриями. Далее основываясь на приблизительной линейной зависимости между числом семейств генов, средним числом генов и размером генома учёные заметили, что геном премитохондрий сокращался. Это типично для облигатной внутриклеточной бактерии и предполагает, что сокращение генома шло полным ходом до того, как митохондрии отделились от альфа-протеобактерий, т. е. стали настоящими митохондриями.

Продолжив генетические исследования, учёные стали сравнивать реконструированные прото-митохондрии и премитохондрии. Оказалось, что в отличии узкоспециализированных прото-митохондрий, премитохондрии были способны к гораздо более разнообразному метаболизму. Помимо основных путей, премитохондрии участвовали в трансляции, в клеточной стенке, LPS и биогенезе мембран, в производстве энергии, репликации, рекомбинации и репарации ДНК, они обладали множеством ключевых метаболических путей, включая гликолиз, цикл TCA, пентозофосфатный путь и путь биосинтеза жирных кислот. Кроме того, премитохондрии обладали большим количеством генов, участвующих в синтезе различных кофакторов, таких как рибофлавин, фолат, биотин и убихинон.

Твой учитель, когда рассказывает про мутуализм предков митохондрийТвой учитель, когда рассказывает про мутуализм предков митохондрий

С другой стороны, как и большинство Риккетсиалесов, премитохондрии обладали ограниченным количеством генов для синтеза определенных аминокислот (глутамин, лейцин, валин и изолейцин) из промежуточных продуктов метаболизма, но были недостаточны в биосинтезе аминокислот de novo (с нуля). Следовательно, премитохондрии должны были получать незаменимые аминокислоты от хозяина.

Дальнейшие исследования премитохондрий показали, что они кодируют пластидно-паразитарный тип транслоказы АТФ / АДФ, которая импортирует АТФ от хозяина, что делает премитохондрию энергетическим паразитом. Последующие сравнения генов риккетсиалов с премитохондриями, а также построения филогенетических деревьев показало, что премитохондрии вероятно обладали способностью дышать в условиях низкого содержания кислорода и имели жгутики, которые наследовались вертикально, а не через горизонтальный перенос. Электронная микроскопия части эндосимбиотических бактерий также показала наличие рудиментарных жгутиков. Т.е. данное исследование показывает нам предка митохондрии, который мог жить в условиях с низким содержанием кислорода, обладающим жгутиком и являющимся паразитом, что, казалось бы, прямо контрастирует с нынешней ролью митохондрий как производителя энергии клетки.

 Синтения жгутиковых генов.Представители отряда риккетсиал и свободноживущие представители альфа-протеобактерий выделены зеленым, красным и черным цветом соответственно. Каждая стрелка представляет ген в кластере. Перестройки генома показаны пунктирными линиями между двумя генами, а расстояние между ними показано над линиями. Из-за неполной природы некоторых сборок генома точное расстояние между двумя генами не может быть определено. В этом случае минимальное расстояние оценивалось как сумма расстояний от каждого гена до конца контига, в котором он был расположен. По той же причине ориентация некоторых генов не могла быть определена и (обозначена звездочками под генами) . Синтения жгутиковых генов.Представители отряда риккетсиал и свободноживущие представители альфа-протеобактерий выделены зеленым, красным и черным цветом соответственно. Каждая стрелка представляет ген в кластере. Перестройки генома показаны пунктирными линиями между двумя генами, а расстояние между ними показано над линиями. Из-за неполной природы некоторых сборок генома точное расстояние между двумя генами не может быть определено. В этом случае минимальное расстояние оценивалось как сумма расстояний от каждого гена до конца контига, в котором он был расположен. По той же причине ориентация некоторых генов не могла быть определена и (обозначена звездочками под генами) .

Однако, систематический обзор от 2011 года бактериального симбиоза показал, что мутуализмы вполне себе могут происходить либо непосредственно от свободноживущих бактерий в окружающей среде, либо от внутриклеточных паразитов [5] . Ключевое различие между этими двумя эволюционными путями состоит в том, что для инициации симбиоза свободноживущие бактерии должны приносить немедленную пользу хозяину, в то время как внутриклеточные паразитические бактерии этого не делают.

Простой пример, что такое симбиозПростой пример, что такое симбиоз

Результаты исследования от 2014 года говорят, что в начале эндосимбиоза бактериальный симбионт не приносил никакой пользы хозяину. Поэтому данная гипотеза утверждает, что преимущества, предлагаемые другими различными гипотезами (например, гипотезой поглотителя кислорода и гипотезой водорода), не имеют отношения к объяснению установления начального симбиоза. При этом она и не опровергает все эти гипотезы.

В место опровержения прошлых предположений данная гипотеза предлагает применять их для объяснения перехода митохондрий от паразита к мутуалистической органелле на более поздней стадии. Это всё очень интересно, а потому есть большая вероятность, что гипотеза о предках митохондриях как паразитах возможно скоро станет научной теорией . Поэтому если, кто-то назовёт Вас паразитом, не обижайтесь, ведь можно парировать, что паразитизм у нас в крови, а точнее в клетках. Такие дела!

Примечание:

Оригинальная версия статьи в научно-популярном стиле была написана и опубликована мной в нашем научно-просветильском сообществе Фанерозой.

Источники

1. Phylogenetic analyses with systematic taxon sampling show that mitochondria branch within Alphaproteobacteria Lu Fan, Dingfeng Wu, Vadim Goremykin, Jing Xiao, Yanbing Xu, Sriram Garg, Chuanlun Zhang, William F. Martin and Ruixin Zhu; Nature Ecology & Evolution, 2020

2. Phylogenomic Reconstruction Indicates Mitochondrial Ancestor Was an Energy Parasite Zhang Wang, Martin Wu Published: October 15, 2014Gabaldon T, Huynen MA (2003) Reconstruction of the proto-mitochondrial metabolism. Science 301: 609.

3. Gabaldon T, Huynen MA (2007) From endosymbiont to host-controlled organelle: the hijacking of mitochondrial protein synthesis and metabolism. PLoS Comput Biol 3: e219.

4. Gabaldon T, Huynen MA (2007) From endosymbiont to host-controlled organelle: the hijacking of mitochondrial protein synthesis and metabolism. PLoS Comput Biol 3: e219.

5. Sachs JL, Skophammer RG, Regus JU (2011) Evolutionary transitions in bacterial symbiosis. Proc Natl Acad Sci U S A 108 Suppl 21080010807.

Подробнее..

Бактерии в шахтах внутриклеточное преобразование сульфата меди в одноатомную медь

28.04.2021 10:12:44 | Автор: admin


Планету Земля часто называют колыбелью жизни, и в этом титуле совсем мало преувеличений. Жизнь можно найти и в вечнозеленых тропиках, и в знойных пустынях, и на бескрайних ледяных просторах, и даже в жерлах подводных вулканов. Как сказал Ян Малкольм в фильме Парк Юрского периода: life finds a way. Ученые из Хьюстонского университета провели исследование любопытных бактерий, проживающих в шахтах Бразилии и способных преобразовывать ионы сульфата меди (CuSO4) в одноатомную нуль-валентную медь (Cu0). Чем столь интересен это процесс, и как его можно применить в мире людей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Тяжело представить современный мир без меди. Диэлектрические, магнитные, оптические, антимикробные и каталитические свойства позволяют применять медь во множестве отраслей, от солнечных элементов до антимикробных покрытий. При этом химический синтез одноатомной металлической меди является крайне сложным процессом, требующим инертных или восстановительных условий, а также использования токсичных реагентов. Но вот некоторые организмы способны делать это без труда.

Недавние исследования показали, что многие микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, могут продуцировать неорганические наночастицы (НЧ): Ag, Au, Cu, CuO, магнетит и т.д. Особенно любопытны труды, где описан синтез наночастиц меди в диапазоне от 10 до 40 нм внутри- и внеклеточно с использованием бактерий. В данном случае использовались ферменты редуктазы, такие как NADPH (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотидфосфата, C21H29N7O17P3), обладающих окислительно-восстановительным потенциалом для восстановления ионов металлов. Но то, как микроорганизмы естественным образом синтезируют CuO (в размере от 170 до 179 мкм), ранее было неясно.

Почему синтез одноатомной меди столь привлекателен? Дело в том, что отдельные атомы можно использовать и в катализе, и в легировании, и в энергетике. Однако, как мы уже знаем, одноатомный синтез сопряжен с рядом трудностей, среди которых необходимость в использовании токсичных реагентов. Альтернативные методы (осаждение из паровой фазы, распыление и фемтосекундная лазерная абляция) пока еще остаются малоэффективными.

Именно потому ученые решили детально изучить бактерии, которые самостоятельно выполняют одноатомный синтез меди без каких-либо токсичных реагентов.

Результаты исследования


В качестве подопытных были выбраны бактерии, обитающие в рудниках Бразилии (62715.848 ю.ш. и 50437.507 з.д.).


Изображение 1

Обнаружение изолята из рода Bacillus, способного продуцировать одноатомную медь внутриклеточно, было зарегистрировано с помощью визуального наблюдения изменений цвета среды для роста бактерий с CuSO4 через 48 часов. Изменение цвета с зеленого (CuSO4 + бактерии) на оранжевый указывает на преобразование CuSO4 в Cu0 (1A). Дополнительным подтверждением наличия Cu0 стали результаты просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), где показаны бактерии после 48 часов инкубации в сульфате меди (1B). На 1C и 1D показаны снимки бактерии с большим и меньшим увеличением соответственно. Также на 1D отчетливо видны отдельные атомы меди.

Для определения габаритов атомов меди было проанализировано около 13000 атомов (1E). Радиус каждого атома находился в пределах от 1.7 до 1.85 . На диаграмме размаха (1F) суммированы фактическое распределение населенности и размеры всех измеренных атомов, обнаруженных на ПЭМ снимках. Более 75% атомов меди имели радиус 1.89 0.19 . Более крупные размеры ученые рассматривают как перекрытие атомов меди на снимках, когда один атом находится слишком близко к другому.

Данные размеры говорят о том, что обнаруженные атомы это именно нейтральные атомы меди (с нулевой валентностью, Cu0). Радиусы Cu1+, Cu2+ и Cu3+ находятся в диапазоне от 0.54 до 0.63, т.е. не попадают в диапазон наблюдаемых радиусов. Это дополнительно подтверждает, что присутствующая в образцах медь это именно Cu0.

Распределение элементов в клетках было определено с помощью энергодисперсионной спектроскопии (EDS от energy dispersive spectroscopy). Молибденовая сетка гарантировала, что все медные сигналы, обнаруженные EDS, принадлежат исключительно бактериям (снимки ниже).


Изображение 2

Визуализация в режиме обратного рассеяния показывает четкий контраст между более тяжелыми и более легкими атомами, в данном случае между медью и углеродом, азотом и кислородом.

Следовательно, медь является одним из наиболее распространенных элементов в образце, а Cu0 самым распространенным типом меди. Это было дополнительно подтверждено анализом результатов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (3A).


Изображение 3

На графиках 3B и 3C показана спектроскопия характеристических потерь энергии электронами (EELS от electron energy loss spectroscopy) меди. В первом EELS спектре (3B) можно увидеть присутствие углерода, азота и кислорода, которые являются типичными компонентами органического вещества, входящего в состав бактерий. Уровень энергии для каждого из этих элементов составил: 290 эВ углерод; 400 эВ азот и 530 эВ кислород.

Медь обычно обнаруживается в диапазоне от 931 до 953 эВ. Но в данном случае обнаружить ее с помощью EELS было невозможно (3C). Ученые объясняют это толщиной одноатомной меди, что является известным ограничением этого метода. Однако с помощью EELS удалось установить, что атомы меди распространены в клетках остаточно равномерно, а вероятность их кластеров крайне мала в отличие от углерода, азота и кислорода.

На графиках 3D-3F показаны результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии C 1s, O 1s и Cu 2p на уровне ядра, полученные от меди, синтезированной Bacillus, спустя 48 часов инкубации.

Спектр C 1s (3D) представляет три компонента при 285.8, 287 и 288.9 эВ, соответствующих связям между белком/пептидами и атомарной медью. Область XPS-спектров O 1s на уровне ядра (3E) показывает максимум энергии связи при 532.8 эВ, соответствующий карбоксильным группам, которые принадлежат белкам на поверхности атомарной меди. Cu 2p показывает два пика при 932.3 и при 952.0 эВ, которые соответствуют энергиям связи 2p3/2 и 2p1/2 электронов Cu0 (3F). Эти наблюдения указывают на то, что тип меди, синтезируемой бактериями, это именно одноатомная медь, т.е. Cu0.

Полностью удостоверившись в том, что бактерии производят одноатомную медь, ученым осталось понять, как именно это происходит.

Сначала белки бактерий идентифицировали в двух различных условиях роста: культивирование без сульфата меди (контрольная группа) и с сульфатом меди (CuSO4; 100 мг/л). В контрольной группе было зафиксировано экспрессию 652 белков, а в группе с CuSO4 458 белка. Из этих 458 белков 313 одинаково экспрессировались в обоих условиях роста, а 145 белков экспрессировались только в присутствии сульфата меди.

Большинство белков (102 белка) участвовали в первичном метаболизме (углерод и энергия). Следовательно, Cu влияет на клетку негативным образом, вызывая выработку большей энергии, дабы пережить это воздействие. Пятнадцать белков участвовали в функциях устойчивости и стресса, а три из них выполняли функции транспорта и поглощения Cu клеткой.

Среди белков, задействованных в транспорте меди, были регулируемый железом транспортер SufB, переносящая медь аденозинтрифосфатаза P-типа (ATPase) и Copz.

Copz это шаперонный* белок, выполняющий роль внутриклеточной секвестрации (накопления) и транспорта Cu+ из цитоплазмы* в периплазму*.
Шапероны* белки, выполняющие функцию восстановления правильной нативной третичной или четвертичной структуры белка, а также образование и диссоциация белковых комплексов.
Цитоплазма* полужидкое содержимое клетки.

Периплазма* обособленный компартмент клеток грамотрицательных бактерий.
Остальные 11 белков, идентифицированные в присутствии сульфата меди, были белками, которые могут участвовать в биосинтезе и стабилизации одноатомной меди. Шесть из них восстанавливают либо сульфат, либо металлы: тиолдисульфид изомераза / тиоредоксин; тиоредоксинредуктаза (TRXR), дикластер 4Fe-4S, ферредоксин 4Fe-4S, дисульфидредуктаза семейства TlpA и сульфатаденилилтрансфераза.

Учитывая функции этих белков, можно предположить, что они восстанавливают сульфат из CuSO4, оставляя свободную токсичную медь (Cu2+) внутри клеток.


Изображение 4

Продукция наночастиц Se с помощью Stenotrophomonas maltophilia показала возможную ассоциацию с алкогольдегидрогеназой. В рамках данного исследования в бактериях Bacillus были идентифицированы два белка-гомолога: NADH (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида) зависимая бутанолдегидрогеназа А и NADH-зависимая бутанолдегидрогеназа.

Подобная находка указывает на то, что белки могут участвовать в биогенном синтезе одноатомной меди. Также в бактериях были выявлены белки семейства Ferritin Dps и индуцируемый голоданием ДНК-связывающий белок (Dps от DNA binding protein). Ранее высказывалось мнение, что пути синтеза наночастиц с участием этих белков включают процессы автоокисления, гидроксилирования или восстановления. Но пока это лишь теория.

В данном труде ученые предположили, что в процессе преобразования Cu2+ в Cu0 важную роль играет белок ферритин*.
Ферритин* сложный белковый комплекс, выполняющий роль основного внутриклеточного хранилища железа.
Вероятно, комбинация этого белка и других белков, экспрессируемых в Bacillus, в среде с добавлением сульфата меди напрямую связано с биосинтезом одноатомной меди (изображение 4).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые исследовали довольно любопытный организм бактерию Bacillus, способную внутриклеточно синтезировать одноатомную медь (Cu0) из сульфата меди (CuSO4). Данный процесс, являющийся естественным для бактерий, крайне сложно воспроизвести с помощью даже самых современных технологий и методик. Для производства одноатомной меди люди вынуждены применять токсичные реагенты, тогда как бактерии в этом не нуждаются.

По словам авторов труда, их результаты позволяют лучше понять, как столь малые организмы способны регулировать столь сложные химические реакции. Кроме того, это исследование может стать основой для промышленного производства атомарной меди, которое будет лишено прежних недостатков, но обретет новые преимущества, такие как снижение стоимости производства.

Учитывая, что медь используется во многих направлениях (от антибактериального покрытия до электроники), подобного рода открытия действительно несут в себе немалый потенциал.

Важно отметить и то, что изученные бактерии могут быть далеко не единственными микроорганизмами, способными синтезировать одноатомные металлы, которые найдут свое применение в науке, технике и медицине.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru