Chemieingenieure entdecken, wie einige Bakterien Bedrohungen widerstehen

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Anonim

Bakterien sind verstohlene Organismen. Sie können sich in wenigen Minuten vermehren und weiterentwickeln, um zu überleben, was wir ihnen schenken - einschließlich Antibiotika.

Die Weltgesundheitsorganisation nennt Antibiotikaresistenz "eine der größten Bedrohungen für die globale Gesundheit, die Ernährungssicherheit und die Entwicklung von heute". Jedes Jahr infizieren sich laut den Centers for Disease Control etwa 2 Millionen Menschen in den USA mit Antibiotika-resistenten Bakterien. Diese Infektionen sind schwer zu behandeln und zunehmend tödlich.

Angesichts dieser Bedrohung wollen Wissenschaftler genau herausfinden, wie sich Bakterien entwickeln.

Ein Team der University of Delaware und der University of California in San Diego hat kürzlich neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie E. coli-Bakterien als Reaktion auf eine lebensbedrohliche Herausforderung mutieren. Ihre Ergebnisse wurden in Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) veröffentlicht.

Ein einzigartiger Ansatz

"Wir wollten untersuchen, wie Zellen sich von einem schweren Schlag erholen", sagte Co-Autor Maciek R. Antoniewicz, Centennial Professor für Chemie- und Biomolekular-Engineering an der Universität von Delaware.

UD Diplom-Ingenieur Studenten Christopher Long und Jacqueline Gonzalez Co-Autor der Zeitung mit Antoniewicz.

Zu diesem Zweck führte das Team zwei experimentelle Methoden zusammen, die üblicherweise nicht im Tandem verwendet werden: die Sequenzierung des gesamten Genoms und die Analyse des metabolischen Flusses.

"Eine der Neuheiten dieses Artikels ist, dass wir zwei komplementäre Ansätze verwendet haben, um zu klären, wie sich diese Zellen entwickelten", sagte Antoniewicz. "Dies ist einer der ersten Male, die beide Ansätze kombiniert wurden, um eine Verbindung zwischen Genotyp und Phänotyp zu sehen."

An der UC-San Diego haben Adam Feist, ein assoziiertes Projektwissenschaftler in Bioingenieurwesen, und Bernhard Palsson, der Galletti-Professor für Bioingenieurwesen, zehn Stämme von E. coli-Bakterien modifiziert und dann entwickelt. Sie haben die Fähigkeit der Bakterienzellen ausgeschaltet, die Phosphoglukoseisomerase zu nutzen, ein Enzym, das eine entscheidende Rolle im Stoffwechsel von Glukose, einem Zucker, spielt. Das Ausrotten von E. coli-Zellen des Phosphoglucoseisomerase-Enzyms ist dem Verhungern derselben ähnlich und verlangsamt ihr Wachstum um 80%.

Als sich diese E. coli-Zellen jedoch entwickelten und vervielfachten, erholten sie sich schließlich zwischen 46 und 71 Prozent ihrer Wachstumsrate.

Das Forscherteam verwendete dann eine genomische Analyse und eine Flussanalyse, um herauszufinden, wie die Zellen mutiert und angepasst wurden, um sich zu erholen. Antoniewicz ist ein führender Experte in der Flussanalyse, weshalb diese Experimente an der Universität von Delaware stattfanden.

Antoniewicz, Long und Gonzalez fanden drei Mutationen in den Genen sthA, pntAB und crr, die den E. coli-Zellen dabei halfen, das Wachstum wiederherzustellen. Diese Mutationen halfen den Zellen, metabolische Schritte zu beschleunigen, die durch die Abwesenheit von Phosphoglucoseisomerase behindert worden waren.

"Es ist faszinierend, dass Sie eines der wichtigsten Gene im Glukosestoffwechsel loswerden und die Zelle sich erholen wird", sagte Antoniewicz. "Dies ist ein Beweis für die große Flexibilität biologischer Systeme."

Diese Anpassungsfähigkeit ist jedoch ein Segen und ein Fluch wie bei Antibiotika-resistenten Bakterien.

"Zellen sind flexibel und beweglich", sagte er. "Wenn Sie verhindern wollen, dass sie wachsen, ist die Verwendung eines einzigen Ziels möglicherweise nicht genug."

Als nächstes untersucht das Team eine neue Reihe von E. coli-Stämmen mit unterschiedlichen Eigenschaften.

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