По мере увеличения сопротивления со стороны антибиотика в популяции бактерий возникают параллельные линии эволюции, которые различаются по фенотипу и генотипу. Кадр из демонстрационного видео Гарвардской медицинской школы
Обычно в лабораторных опытах бактерий разводят в однородной среде. Учёные из Гарвардской медицинской школы пошли дальше. Они организовали необычный эксперимент по эволюции бактерий в смешанной среде — на огромном «блюде» размером 120×60 см.
Пространство разделили на зоны с разной концентрацией антибиотика, так что в следующую зону проходят только поколения бактерий с подходящими мутациями. В результате, в финальный раунд по центру арены пробиваются «супермикробы», то есть максимально изменившие свой генотип и фенотип в результате эволюционного отбора (см. об изоляции приспособленцев в конце статьи). Арена битвы микробов с антибиотиками называется MEGA (microbial evolution and growth arena). Такая среда специально создана, чтобы при экспоненциальном росте численности бактерий они не соревновались друг с другом за ограниченные ресурсы, как это принято в большинстве научных экспериментов. Здесь ресурсы практически не ограничены, а от бактерий требуется только захватывать новые территории и приспосабливаться к новым условиям жизни, умножая свою численность практически без ограничений. В этом смысле движение бактериального фронта напоминает экспансию человеческого вида на планете Земля в средние века с колонизацией новых территорий (предположительно, экспансивное развитие человеческой расы продолжится и за пределами родной планеты с колонизацией всех пригодных для жизни территорий в зоне досягаемости). 
Арена MEGA. Кадр из демонстрационного видео Гарвардской медицинской школы Эксперимент имеет не только научную, но и образовательную ценность. Большое пространство арены MEGA позволяет визуально наблюдать мутации и естественный отбор при распространении фронта бактериальной популяции. Впечатляющее зрелище.
Проведённые ранее исследования показали, что структурированные микросреды такого типа увеличивают скорость эволюции в маленьких популяциях бактерий с изменением генотипа (Q. Zhang et al., Science 333, 1764–1767 (2011)). Но до сих пор оставался неизученным вопрос, как именно это происходит в больших популяциях.
Для такого эксперимента была сконструирована прямоугольная чашка Петри размером 120×60 см, структурированная по зонам с экспоненциальным увеличением концентрации антибиотика триметоприм от периферии к центру, а также с питательными веществами для размножения бактерий. Большая площадь арены не позволяла бактериям E. coli смешиваться между собой, чтобы более наглядно наблюдать происходящие мутации.
Конструкция арены MEGA и результат распространения бактериального фронта в течение 12 суток показаны на иллюстрации B. Кругами разного цвета обозначены 182 вида мутировавших бактерий, цвет обозначает концентрацию бактерий. Линии между видами соответствуют направлению мутации, исходя из данных видеосъёмки. 
По мере постоянного увеличения сопротивления со стороны антибиотика в популяции бактерий возникают многочисленные параллельные линии эволюции, которые различаются по фенотипу и генотипу. 
Изучив бактерий в авангарде и позади фронта бактериальной популяции, учёные выяснили несколько интересных вещей. Оказалось, что эволюцию не всегда движут вперёд бактерии, наиболее устойчивые к антибиотикам. Как ни странно, иногда самые устойчивые потомственные линии оказываются заперты позади более чувствительных бактерий. Судя по всему, это происходит из-за «преждевременных» мутаций, когда некоторые бактерии оказываются готовы выжить в более высокой концентрации антибиотика, которая появится в будущем, но ещё не появилась. В такой ситуации потенциально более приспособленные бактерии уступают место во фронте своим сородичам, которые приспособлены именно к актуальной концентрации, существующей в данный момент. Для проверки этой теории учёные взяли образцы изолированных колоний бактерий с «преждевременными» мутациями и насильно поместили их впереди фронта. Как и предполагалось, они выжили в условиях, в которых основной бактериальный фронт выжить не может. 
Пространственная ловушка компенсаторных мутаций — бактерии, которые настолько опередили своё время, что даже после наступления подходящих условий они уже заперты позади наступившего фронта. Иллюстрация: Гарвардская медицинская школа
Учёные тщательно изучили генотип наиболее мутировавших видов бактерий, которые сумели выжить в растворе с максимальной концентрацией триметоприма. Выяснилось, что у этих видов чаще всего мутации подвергался ген folA, который кодирует дигидрофолат-редуктазу (DHFR) и является мишенью триметоприма.
Чем больше сопротивляемость бактрии к антибиотику — тем больше было мутаций в этом гене. Кроме того, обнаружены мутации в нескольких других генах, не имеющих отношения к действию конкретного антибиотика. Среди них были опероны mar и sox, которые отвечают за реакцию на стресс.
Ранее было известно, что эти «стрессовые» гены играют важную роль для успешного сопротивления антибиотикам.
Учёные также выяснили, что лучшая адаптация к слабому воздействию антибиотика ускоряет впоследствии адаптацию к более высоким концентрациям (на иллюстрации внизу). Всё как у людей, которые способны лучше приспособиться к ухудшающимся условиям жизни, если изменения происходят постепенно и незаметно. 
Эксперимент описан в научной статье, опубликованной 9 сентября 2016 года в журнале Science (doi:10.1126/science.aag0822).
Запуск новых бактерий в септик: как сделать правильно?
Подробности Опубликовано 20.01.2021
Как правило, какое-то количество бактерий в канализации уже присутствует, ведь более половины поступающих в нее стоков уже содержат в себе вполне живые и постоянно размножающиеся бактерии.
Но иногда колонии бактерий могут гибнуть из-за того, что мы случайно сливаем в канализацию химические средства или от избытка ила, в котором могут содержаться фосфаты. Это может послужить источником зловонного запаха, который рано или поздно начнет доставлять вам неудобства.
Как запустить новые бактерии в септик и что сделать, чтобы не допустить гибель их новой колонии? Объясним подробно в нашей статье!
Какие существуют виды бактерий для септиков?
Бактерии могут быть аэробными и анаэробными. Аэробные не могут существовать без кислорода. Анаэробным кислород не нужен, зато нужны углекислота и нитраты. Также существуют биоактиваторы, в составе которых содержатся оба этих вида.
Аэробные микроорганизмы могут использоваться и в септиках, и в выгребных ямах, но для их жизнедеятельности необходим аэратор, благодаря которому в камеру септика будет поступать кислород.
Аэробы в процессе деятельности выделают углекислый газ вместо метана, так что неприятного запаха вокруг септика не будет. Ну а результатом деятельности аэробов будет небольшое количество твердого осадка, который может быть использован как удобрение для посадок.
Анаэробные бактерии разлагают стоки на нерастворимые твердые отходы, которые оседают на дне камеры, вода же полностью очищается и осветляется. Твердые отходы образуют осадок, который удаляется из камеры септика ассенизаторской машиной, а очищенная вода после дополнительной очистки может применяться для полива огорода.
В процессе своей деятельности анаэробы выделяют метан, который и является источником неприятного запаха. Именно поэтому их добавляют только в закрытые камеры септиков, для выгребных ям они не подойдут.
Биоактиваторы могут применяться для оживления колоний микроорганизмов, которые уже находились в септике или выгребной яме. Это актуально после реконсервации септика или при засорах трубопровода.
Препараты, содержащие в себе аэробные и анаэробные бактерии устойчивы к моющим средствам и химии, а также способны существенно сократить объем твердых отходов.
Как правильно запустить бактерии в септик?
Биопрепараты могут продаваться в виде порошка, таблеток или уже готовой жидкости. Любой из них нужно подготовить предварительно перед тем, как запустить в камеру септика.
Для этого необходимо налить в емкость чистую воду (без хлора) и оставить на сутки-двое для отстаивания. После чего воду нужно перелить в другую емкость, чтобы избавиться от возможного осадка.
В готовую очищенную воды засыпаем препарат. Можно добавить 0,5 л кефира, чтобы подкормить бактерии. Всю смесь необходимо хорошенько размешать и оставить на пару часов для настаивания. По истечению времени смесь будет готова для использования.
Бактерии можно добавить непосредственно в камеру септика, сняв крышку, а можно просто слить в умывальник или унитаз.
После того, как вы зальете раствор в канализацию, пользоваться ей не рекомендуется в течение нескольких часов. Поэтому наш совет – заливайте бактерии на ночь
H2. Как избежать гибели бактерий в септике?
Как и все живое, микроорганизмы существуют, размножаются и хорошо выполняют свои функции только тогда, когда им хорошо. Соответственно для этого нужно создать все условия.
А что необходимо бактериям? В первую очередь это уютное место, где они смогут комфортно обитать. Для микроорганизмов это питательная среда с твердыми отходами, дополненными небольшим количеством жидкости. То есть, в камеру септика должны постоянно поступать стоки, без них бактерии погибнут.
Хлор способен погубить все живые организмы в короткие сроки, сливать его в канализацию нельзя!
Важно знать, что зимой, когда температура на улице достигает предельного минимума, бактерии могут впасть в спячку. Тогда эффективность их работы спадает, а с приходом тепла возобновляется. Так что если в зимний период от канализации начнет исходить неприятный запах, не спешите добавлять новые колонии бактерий – дождитесь, пока температура немного поднимется.
Подведем итоги
Для того чтобы запустить бактерии в септик, необходимо их предварительно подготовить. Если вы опасаетесь гибели новой колонии бактерий, проверьте, соблюдаются ли все условия для их эффективной жизнедеятельности.
И не смывайте в канализацию хлор, токсичные моющие средства и антибиотики – от этого количество микроорганизмов резко сократиться, и выполнять исправно свои функции они больше не смогут.
Обнаружен новый способ появления бактерий, устойчивых к антибиотикам
Давайте поговорим об антибиотиках и о том, почему принимать их нужно строго по назначению врача. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) внесла проблему появления бактерий, устойчивых к антибиотикам в список серьезных угроз, стоящих перед человечеством.
Устойчивость к антибиотикам сегодня является причиной смерти около 700 000 человек в год, при этом усложняет лечение многочисленных инфекций, включая пневмонию, туберкулез и гонорею.
Если ученые не найдут способ борьбы с этими бактериями, число жертв от сегодня предотвратимых заболеваний может составить 10 миллионов смертей в год уже к 2050 году.
Бактерии нашли способ выжить без важной структуры
Почему появились бактерии, устойчивые к антибиотикам?
Широко распространенное использование антибиотиков во всем мире во многом связано с появлением устойчивых к антибиотикам бактерий, которые в настоящее время представляют собой одну из самых серьезных угроз для здоровья.
Бактерии, как и другие организмы на нашей планете, стремятся выжить любой ценой. После открытия пенициллина жизнь многих бактерий существенно усложнилась.
Чтобы продолжить свое существование, некоторые бактерии приобрели устойчивость к антибиотикам путем изменений в геноме.
Бактерии, устойчивые к антибиотикам представляют собой серьезную угрозу людям во всем мире
Сегодня, некоторые бактерии способны даже разрушать антибиотики. Также они прекратить рост и деление. Подобное поведение бактерий затрудняет их обнаружение для иммунной системы.
Однако новое исследование ученых, опубликованное в журнале Nature, сосредоточено на малоизвестном способе, который бактерии используют для достижения устойчивости к антибиотикам.
Исследователям удалось показать, что бактерии могут «менять форму» в организме человека, чтобы избежать воздействия антибиотиков — этот процесс не требует генетических изменений, способствуя размножению бактерий.
Как антибиотики убивают бактерии?
Практически все бактерии окружены структурой, которая называется клеточной стенкой. Стенка похожа на толстую оболочку, защищающую бактерии от воздействий извне. Также стенка придает бактериям правильную форму (например, палочки или сферы) и помогает им эффективно делиться. А вот клетки человека такой «оболочкой» не обладают.
Из-за этого иммунная система легко распознает опасные бактерии — их клеточная стенка сильно отличается от всех остальных клеток. По той же самой причине, клеточная стенка является мишенью для наиболее часто используемых антибиотиков, например пенициллина.
Таким образом, антибиотики, работа которых направлена на поиск бактерий с «оболочкой», могут убивать бактерии, не причиняя человеку никакого вреда.
В каких случаях вы лечитесь антибиотиками? Давайте обсудим это с участниками нашего Telegram-чата.
Тем не менее, ученым известно о бактериях, способных выживать без клеточной стенки.
Если окружающие условия способны защитить бактерию от агрессивного воздействия окружающей среды, бактерии могут превратиться в так называемые «L-формы», то есть бактерии без клеточной стенки.
Такие бактерии были обнаружены в 1935 году микробиологом Эмми Клиенбергер-Нобель и получили название в честь Института профилактической медицины Листера.
На видео ниже показано, как бактерии меняют свою форму.
Для создания защитной для бактерий среды в лаборатории, ученые часто используют сахар.
Подобные изменения внутри человеческого организма, как правило, вызывают антибиотики, которые воздействуют на клеточную стенку бактерий или определенные иммунные молекулы, например лизоцим — она помогает защитить глаза от бактериальных инфекций и присутствует в слезе.
Бактерии без клеточной стенки часто становятся хрупкими и теряют форму. Однако они также становятся частично невидимыми для нашей иммунной системы и потому полностью устойчивы ко всем типам антибиотиков, действие которых направлено на поиск и уничтожение бактерий с клеточной стенкой.
Это интересно: Что делать с просроченными лекарствами?
Ученые давно подозревали, что изменение формы бактерий может способствовать рецидивирующим инфекциям, помогая бактериям скрываться от иммунной системы и противостоять антибиотикам. Тем не менее, доказательства этой теории было очень трудно найти из-за неуловимой природы L-форм и отсутствия соответствующих методов для их обнаружения.
В какой среде бактерии меняют форму?
В исследовании рассмотрены виды бактерий, связанные с рецидивирующими инфекциями мочевыводящих путей (ИМП). Было установлено, что многие виды бактерий, в том числе кишечная палочка и энтерококк, могут выжить в виде L-форм в организме человека. Ученые обнаружили эти бактерии, используя флуоресцентные зонды, распознающие бактериальную ДНК.
Бактерии L-формы выглядят по-разному
В ходе исследования, ученые проверили образцы мочи пожилых пациентов с рецидивирующими ИМП, выращивая их в чашке Петри с высоким содержанием сахара. Эта среда не только помогла защитить бактерии, но также изолировала бактерии L-формы, которые присутствовали в образцах.
Специалисты отмечают, что согласно результатам исследования, антибиотики необходимо тестировать в условиях, схожих с условиями в организме человека.
Те условия, которые в настоящее время используются в медицинских лабораториях, не обеспечивают достаточной защиты для выживания бактерий деликатных L-форм.
Хотите быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и техники? Подписывайтесь на наш новостной Telegram-канал.
Специалисты надеются, что полученные результаты в будущем помогут найти способ борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями. Комбинирование активных антибиотиков клеточной стенки с антибиотиками, которые убивают L-формы, может стать одним из способов борьбы с инфекциями. Так что наша битва с бактериями продолжается.
Эксперимент в стратосфере: какие микроорганизмы способны выжить в марсианских условиях
Немецкие и американские учёные выяснили, что различные микробы способны продолжительное время сохранять живучесть в атмосфере Марса. Эксперимент с разными видами бактерий и грибов проводился в земной стратосфере в условиях, приближенных к марсианским.
В частности, стойкими оказались опасные для здоровья человека споры грибка чёрной плесени, выжившие даже под воздействием сильного ультрафиолетового излучения.
По мнению исследователей, результаты эксперимента говорят не только о новых угрозах для марсианских миссий, но и о новых возможностях — в будущем с помощью микроорганизмов можно будет производить еду и материалы за пределами Земли.
Учёные Института аэрокосмической медицины Германского центра авиации и космонавтики и NASA исследовали стойкость различных микроорганизмов к условиям, характерным для марсианской атмосферы. Некоторые бактерии и грибки оказались способны выживать в столь экстремальной среде в течение продолжительного времени. Об этом сообщается в журнале Frontiers in Microbiology.
Воссоздать марсианские условия учёным удалось над озоновым слоем — в середине стратосферы Земли на высоте около 38 км. Здесь уровень солнечной радиации сопоставим с тем, что наблюдается на поверхности Марса в районе экватора, отмечают исследователи.
Для проведения эксперимента учёные подготовили четыре вида микроорганизмов: клетки бактерий Staphylococcus (стафилококков), Salinisphaera и Buttiauxella, а также споры грибка Aspergillus niger — аспергилла чёрного (известного как чёрная плесень и представляющего опасность для здоровья лёгких людей и животных).
- Образец с высушенными спорами Aspergillus niger перед помещением в контейнер
- © German Aerospace Center (DLR)
Микробы были отправлены в полёт на научно-исследовательском аэростате NASA в специальном контейнере MARSBOx, воссоздающем атмосферу Марса.
При этом одна часть образцов исследуемого материала была полностью укрыта от солнечной радиации в нижнем отсеке этого хранилища, другая — находилась в верхнем отсеке.
Он открывался для облучения микроорганизмов во время полёта в стратосфере («экспозиция» длилась 5 часов 19 минут).
«Мы провели успешные испытания нового способа подвергнуть бактерии и грибки воздействию среды, подобной марсианской, отправив научно-исследовательский зонд с нашим экспериментальным оборудованием в стратосферу Земли», — сообщила одна из авторов работы от немецкой стороны Марта Филипа Кортезан.
После приземления аэростата учёные «оживили» микроорганизмы в питательной среде и сравнили результаты с данными исследований контрольных образцов, оставленных на Земле.
- Контейнер с образцами
- © German Aerospace Center (DLR)
Среди бактерий лучшие показатели выживаемости у Salinisphaera — микроорганизмы лишь незначительно пострадали от радиации и марсианской атмосферы. Бактерии Buttiauxella не выдержали испытания и погибли полностью, тогда как штаммы стафилококков, хоть и заметно пострадали, всё же смогли восстановить метаболическую активность.
При этом самым живучим микроорганизмом оказался грибок аспергилла чёрного. Прорастание спор этой «плесени», переживших полёт, продолжилось лишь с некоторым замедлением.
Изучение выживаемости микробов позволяет лучше просчитать возможные последствия космических путешествий, в том числе риски для здоровья, полагают исследователи. Также это позволит учёным не ошибиться при изучении внеземной жизни и не спутать инопланетные микроорганизмы с принесёнными с Земли.
«Когда на Марс полетят долгосрочные миссии с экипажем, нам нужно будет знать, выживут ли на Красной планете микроорганизмы, связанные с человеком, поскольку некоторые из них могут представлять опасность для здоровья астронавтов», — отмечает ведущий автор исследования, сотрудник Германского центра авиации и космонавтики Катарина Симс.
Также по теме
Космос в пробирке: что могут рассказать аминокислоты о жизни на других планетах
Исследователи из Университета Вальпараисо (США) приблизились к ответу на вопрос, есть ли жизнь на других планетах. Они воссоздали в…
Напомним, учёные уже не в первый раз обнаруживают способности микроорганизмов выживать в условиях, приближенных к марсианским.
Так, в недрах чилийской пустыни Атакама были найдены питающиеся метаном бактерии, а в высокогорьях Анд — одноклеточные водоросли, обитающие в ледниках на высоте 5 тыс. м.
Также исследователи из Японии выяснили, что крупные колонии бактерий дейнококков способны жить в открытом космосе безо всякой защиты десятки лет.
При этом исследователи отмечают не только возможный вред, но и фантастические перспективы, которые могут дать жизнестойкие микроорганизмы людям во время космических миссий.
Ранее учёные создали для будущих колонистов с Земли биогибридное устройство на основе наноматериалов и бактерий, которое, подобно растениям, преобразует солнечный свет, углекислый газ и воду в органические соединения и кислород.
«Некоторые микроорганизмы могли бы внести неоценимый вклад в исследование космоса. Они могли бы помочь в производстве еды и материальных средств независимо от поставок с Земли, что вдалеке от родной планеты будет крайне важно», — подытожила Катарина Симс.
Добавьте RT в список ваших источников
Новый способ выживания бактерий
Известно, что медь является эффективным средством против инфекций. Оказывается, бактерии, вызывающие тяжелые инфекции мочевыводящих путей, «крадут» медь у нас в организме, чтобы она не нанесла им вреда.
Инфекции мочевыводящих путей
Инфекции мочевыводящих путей развиваются в том случае, когда в почки или мочевой пузырь попадают бактерии, которые начинают размножаться в моче.
Поскольку бактерии попадают в мочевыводящие пути через мочеиспускательный канал (так называемая восходящая инфекция), то основным фактором риска развития заболевания является несоблюдение правил личной гигиены. Кроме того, риск повышается при наличии сахарного диабета и пороков развития мочевыводящих путей; у женщин – при активной сексуальной жизни и беременности; у мужчин – при увеличении предстательной железы.
Одним пациентам удается легко вылечить инфекцию, в то время как другие не могут справиться с заболеванием, несмотря на применение антибиотиков. В некоторых случаях возбудитель может попасть в почки или даже в кровь, что угрожает жизни пациента.
Основным возбудителем инфекций мочевыводящих путей является кишечная палочка. Известно, что кишечная палочка выделяет особое вещество иерсиниябактин, который «ворует» ионы железа у клеток организма-хозяина.
На основании предыдущих исследований ученые предположили, что данное вещество связывает не только ионы железа.
Суть исследования
Ученые поместили иерсиниябактин в мочу здоровых людей и обнаружили, что данное вещество связывает не только железо, но и медь. Затем они провели анализ образцов мочи, полученной от пациентов с инфекциями мочевыводящих путей.
Оказалось, что практически у всех пациентов иерсиниябактин был связан с медью, причем количество связанной меди было больше, чем связанного железа.
Следует отметить, что не все кишечные палочки вырабатывают иерсиниябактин, но те, которые его вырабатывают, обладают повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям.
Полезные свойства меди
Антибактериальные свойства меди известны еще с древних времен: в Древней Греции и Древнем Египте медь использовали для ускорения заживления ран. С точки зрения современной науки уникальные свойства меди обусловлены тем, что она, во-первых, стимулирует выработку веществ, вызывающих повреждение бактерий, а, во-вторых, оказывает на бактерии прямое токсическое воздействие.
В настоящее время ученые продолжают исследования и пытаются найти другие бактерии, которые вырабатывают иерсиниябактин. Им важно понять, могут ли какие-либо бактерии, помимо кишечной палочки, вызывающей инфекции мочевыводящих путей, использовать медь для своей защиты.
Ученые предложили новый способ борьбы с устойчивыми бактериями
Джулио Розати, «Пустынные Кочевники»
Кочевники»«ПустынныеРозати,Джулио
Новый способ борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями предложили в университете Джорджии, 13 апреля сообщает журнал Proceedings of the National Academy of Sciences.
Грамотрицательные бактерии — это один из самых опасных организмов, которым можно заразиться, и один из самых трудных для лечения. Ученые выяснили, что некоторые молекулы, составляющие мембрану бактериальной клетки, могут стать ключом к уничтожению устойчивых к антибиотикам микробов.
Причина, по которой грамотрицательные бактерии трудно убить, заключается в их двойных клеточных мембранах, которые создают почти непроницаемый защитный экран.
Этот щит блокирует проникновение антибиотиков, не позволяя лекарствам выполнять свою работу по уничтожению бактерий.
Между тем токсичность молекул, которые находятся на поверхности внешней мембраны бактерий, известных как липополисахариды, провоцируют потенциально смертельный иммунный ответ.
Исследователи определили ключевую роль молекулы кардиолипина в переносе этих токсичных молекул на поверхность мембраны.
«Если вы спросите, где у нас больше всего проблем с устойчивостью к антибиотикам, то это с грамотрицательными бактериями. Вывод из этого открытия заключается в том, что без кардиолипина бактерии не могут создать внешнюю мембрану. А без этой мембраны они чувствительны к антибиотикам», — сказал Стивен Трент, автор исследования и заслуженный профессор инфекционных заболеваний Фонда UGA.
Блокирование транспорта к клеточной мембране может не только сделать бактерии уязвимыми для антибиотиков, но и накопление их внутри может привести к гибели самой бактерии.
До этого исследования никто по-настоящему не понимал роль кардиолипина в бактериях. Однако у животных он играет важную роль в формировании мембраны митохондрий, органелл, из которых клетки вырабатывают энергию.
Эти эксперименты показали, что изменение выработки кардиолипина в клетке бактерии имеет смертельные последствия для бактерий. Без кардиолипина клетка будет продолжать вырабатывать свои токсичные липополисахариды, но не сможет транспортировать их на поверхность клетки.
«В конце концов клетка откроется. Они просто лопаются. И без больших молекул на поверхности клетки броня бактерий, которая обычно делает ее неуязвимой для большинства антибиотиков, становится проницаемой», — сказал Трент.
Будущая терапия может заключаться в воздействии на этот процесс и сделать грамотрицательные бактерии уязвимыми для антибиотиков.
У бактерий нашли новую стратегию выживания
25 февраля 2019 в 12:48Биология
Биологи обнаружили, что некоторые бактерии способны переходить в специфическое состояние экстремально медленного роста, что увеличивает их шансы пережить период нехватки еды. Эта ранее неизвестная стратегия оказалась характерна для организмов, не использующих другой распространенный у одноклеточных метод экономии ресурсов. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Некоторые бактерии способны особым образом реагировать на неблагоприятные условия среды — они формируют толстостенные споры, которые очень устойчивы к внешним воздействиям и способны превратиться в полноценные организмы спустя многие годы. В таком состоянии обмен веществ практически останавливается, а размножение становится невозможным.
Споры могут пережить облучение ультрафиолетовым светом, высушивание, нагревание до высоких температур, глубокую заморозку и воздействие дезинфицирующих веществ.
Ученые неоднократно наблюдали прорастание спор возрастом около 10 тысяч лет, также описано несколько случаев превратившихся в полноценный организм спор возрастом в несколько десятков миллионов лет.
В новой работе биологи описывают впервые обнаруженную стратегию выживания у бактерии сенной палочки Bacillus subtilis. Некоторые разновидности этих одноклеточных могут образовывать споры, но использованный в данной работе штамм этого делать не способен.
Найденный способ получил название олиготрофного роста, то есть характерного для малого количества питательных веществ. В таком состоянии все внутриклеточные процессы замедлялись до экстремальных значений в ожидании улучшений внешних условий.
В отличие от спор, бактерии в таком виде продолжали расти и делиться, но делали это примерно в 100 раз медленнее.
«Мы увидели четкую разницу между активным состоянием, покоящимися спорами и новым статусом, — говорит ведущий автор работы Лендерт Хамун из Амстердамского университета. — Все виды процессов, характерных для бактерии в состоянии нормальной активности, были изменены. Однако они не были полностью остановлены, как происходит в случае формирования споры».
Ученые также выяснили, что переход в новое состояние требует от бактерий гораздо меньше энергии, чем формирование спор. Именно высокие энергетические затраты считают одной из причин, почему не все споры могут вернуться к нормальной активности.
На данный момент неизвестно, способны ли другие бактерии впадать в олиготрофный рост. Если это так, то это может существенно повлиять на наше понимание о выживании микроорганизмов в неблагоприятных условиях.
В частности, эта стратегия может помогать некоторым патогенам переживать воздействие антибиотиков.
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Некоторые любят погорячей. Как микробы, обитающие в кипятке и без воздуха, сделают нашу жизнь лучше
Живые существа делятся на три группы: эукариоты (к ним относимся в том числе и мы), бактерии и археи. Последние две группы — одноклеточные существа, не имеющие ядра. Некоторые бактерии и археи известны своей способностью выживать в экстремальных условиях, например в горячих источниках или соленых озерах.
Такие микроорганизмы — их называют экстремофилами — вероятно, больше всего напоминают первые живые клетки, появившиеся на Земле около 4 миллиардов лет назад. Поэтому они особенно интересны исследователям, так как, изучая их, они могут заглянуть в далекое прошлое и попытаться узнать, как развивалась жизнь на Земле в самом начале своего долгого пути.
Кроме того, в изучении архей есть и практический интерес. Они могут перерабатывать самые разные «несъедобные» вещества и служить источником устойчивых к нагреву белков, которые пригодятся для производства еды, тканей, моющих средств и многого другого.
Недавно микробиологи из России и Америки открыли новый род архей.
Этот микроб живет в горячих источниках в кальдере (котловине) вулкана Узон на Камчатке. Лучше всего он чувствует себя при температуре 84 градуса по Цельсию и в лабораторных условиях питается дрожжевым и мясным экстрактом и целлюлозой. В процессе роста экстремофил производит углекислоту, соли и эфиры уксусной кислоты, водород.
Результаты работы опубликованы в International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology.
Как ученые исследуют микробов-экстремалов, какую роль они выполняют в природе и что случится, если они вдруг исчезнут, «Чердаку» рассказала один из авторов работы Татьяна Кочеткова, научный сотрудник Лаборатории гипертермофильных микробных сообществ Института микробиологии РАН.
— Как и где вы ищете новые виды архей?
— Наша лаборатория занимается исследованиями термофильных микробных сообществ. Соответственно, полигоном для поиска новых архей или бактерий служат природные места обитания, где температура выше 45 градусов по Цельсию. Это всегда очень экзотические места. Прежде всего, наземные горячие источники. Наша любимая «выездная» лаборатория — это Камчатка с ее многочисленными термальными источниками. Во вторую группу можно отнести морские гидротермы — прибрежные и глубоководные источники горячей воды, поступающей из недр Земли. Сотрудники нашей лаборатории часто принимают участие в международных рейсах в районы разлома океанических плит, где много глубоководных вулканов, известных как «черные курильщики». Отбор проб в таких местах проводится на глубине 600—2500 метров ниже уровня моря — это весьма непростое занятие. Также очень интересно искать микроорганизмы под землей, на глубине 1500—3000 метров, где пластовые воды и породы нагреваются из-за соседства с магмой. Подобные места еще менее доступны для исследования, чем глубины океана. Здесь ученые могут работать лишь на участках, где проводятся промышленные бурения.
— Как «главным героям» вашей статьи удается жить при столь высоких температурах?
— Это очень сложный вопрос, достойный отдельной статьи. Если вкратце, то нашим «главным героям» — термофилам — это удается за счет термостабильных белков и ферментов. Они продолжают активно работать при таких высоких температурах, при которых у других организмов большинство белков утрачивают структуру и не могут выполнять своих функций. Благодаря такой стойкости термофилов, их можно использовать в биотехнологии.
Кроме того, термофилам помогает выживать особый состав клеточных мембран. В целом эти археи обладают большим количеством адаптационных механизмов, помогающих им жить практически в кипящей воде и даже при еще более высоких температурах.
— Чем они питаются в естественных условиях?
— По количеству разлагаемых субстратов прокариоты (одноклеточные организмы без клеточного ядра) — чемпионы среди всех живых существ. В горячих источниках термофилы утилизируют все! От простых газов, таких как водород, сероводород, метан, углекислый и угарный газы и так далее, до сложных биополимеров — целлюлозы, перьев, крахмала. Причем зачастую они совершенно не нуждаются в кислороде. В отличие от нас, людей, которые могут получать энергию только из органического вещества и только с использованием кислорода.
— Как они влияют на свою среду обитания и на другие живые организмы? Что будет, если, например, убрать из горячих источников живущих в них термофилов?
— Современные гидротермы рассматриваются учеными как модели древнейших экосистем. Если совсем простым языком говорить, то считается, что именно термофильные сообщества в далекие-далекие времена создали условия для развития более сложных форм жизни. Если пофантазировать и представить, что термофилов убрали из горячих источников, то, скорее всего, очень скоро воздух в этих районах наполнится не совсем полезными для дыхания газами (водородом, метаном, сероводородом, окисью и двуокисью углерода, сернистым газом и прочими), и находиться в таких местах станет опасно для жизни. А также за очень короткий промежуток времени подобные источники зарастут и превратятся в котлы с кипящей органической кашей, которая, как в сказке, начнет выкипать и расползаться по окрестностям.
— Что ученым интереснее всего было бы узнать про них?
— Тут есть два интересных направления. Первое — чем термофилы могут быть полезны нам. Тут как раз находят применения многочисленные термостабильные белки, использование которых в биотехнологии ускоряет процессы, увеличивает экономическую выгоду по сравнению с использование мезофильных белков, которые работают лишь при умеренных температурах (20—40 градусов).
И второе, и на мой взгляд, более захватывающее, — это исследование мира, который очень мало известен человеку. Термофильные археи и бактерии являются старейшими живыми существами на нашей планете, и поэтому исследование их разнообразия, разнообразия их метаболизма помогает нам рисовать картину прошлого.
Екатерина Боровикова
Инфекция в дезинфекции
Во всем мире к месту укола каждому ребенку и взрослому прикладывают ватку со спиртом. Эта мера, как считается, помогает дезинфицировать ранку, избежав попадания в нее инфекции. Кроме того, по инструкции медики обязаны активно использовать этиловый спирт и изопропанол для мытья рук и дезинфекции помещений и инструментов.
Распространение этой медицинской практики стимулировало бактерии создать защиту от уничтожения спиртом. Появление бактерий, устойчивых к спирту, может привести к тому, что медицинские учреждения, в том числе хирургические отделения, потеряют самый распространенный способ противостоять инфекциям.
«Известия» выяснили у российских ученых, насколько реальна угроза появления таких супербактерий и как им можно будет противостоять.
В последние годы перед медиками всё острее встает проблема так называемых супербактерий — микробов, стойких к действию уничтожающих их веществ. Это происходит из-за форсированной эволюции микроорганизмов. Для того чтобы понять, почему микробы вырабатывают такую устойчивость, ученые провели исследование больничных инфекций.
Оказалось, что там, где применяются антисептики на основе спирта, сокращается число заражений больниц стафилококком, однако учащаются вспышки другой инфекции, связанной с «неуязвимыми» энтерококками вида Enterococcus faecium. Тогда ученые проанализировали, как спиртосодержащие антисептики, которые повсеместно применяются в медицине, влияют на мутагенез этих бактерий.
Пытаясь разобраться, в чем дело, ученые собрали образцы микробов, расшифровали их ДНК и сравнили с другими штаммами энтерококков. Оказалось, что у «неуязвимых» энтерококков было много различий в участках ДНК, отвечающих за переваривание различных углеводородов. Эти изменения сделали микробов устойчивыми к действию дезинфицирующих средств на базе спиртов.
Даже в концентрированных, 70-процентных, растворах части микробов удалось выжить.
По словам руководителя Центра геномной и регенеративной медицины Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) Александра Каганского, бактерии постепенно накапливают мутации, позволяющие им лучше приспосабливаться к таким средствам защиты от них, как антибиотики или алкоголь (спирт). Это следствие генетической адаптации, которую еще во время Второй мировой войны обнаружили нобелевские лауреаты по физиологии и медицине Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк. Использование дезинфицирующих средств уверенно направляет эволюционный процесс в сторону накопления в популяциях микробов, которые мутируют, приобретая повышенную устойчивость к таким средствам. Принято считать, что человечество также эволюционирует, постепенно приспосабливаясь к употреблению алкоголя, хотя это происходит значительно медленнее, чем в случае с бактериями.
— Повальное увлечение населения употреблением спиртосодержащих жидкостей тоже вполне могло помочь бактериям, живущим в желудочно-кишечном тракте, справляться со спиртом, — отметил Александр Каганский. То есть дело не только в средствах дезинфекции, применяемых медиками.
По словам ученого, кроме спирта существует широкий круг других антисептических препаратов, содержащих хлор и йод, детергенты, кислоты, щелочи, окислители и многие другие вещества, которые были преимущественно вытеснены спиртом из-за простоты его использования и дешевизны.
Заведующая кафедрой микробиологии и вирусологии СибГМУ Мария Карпова считает, что мы действительно можем вернуться в каменный век и остаться без действенных препаратов в отношении возбудителей болезней, а проблема снижения чувствительности патогенных микроорганизмов к противомикробным лекарственным средствам действительно очень серьезна, так как у каждого противомикробного препарата есть свой механизм действия на биохимическом уровне, а значит, есть ген или группа генов, отвечающая за этот механизм.
— Мутации в генах приводят к возникновению устойчивых клонов.
Как только антибиотик начинает использоваться в клинической практике, такие микробы-мутанты получают преимущество, устойчивая микробная популяция начинает распространяться среди пациентов, вызывая инфекции, которые невозможно вылечить стандартными антибиотиками. То же происходит с антисептиками и дезинфицирующими средствами. Чем шире используется противомикробный препарат, тем выше возможность развития к нему устойчивости.
Так, по словам Марии Карповой, именно распространение спиртосодержащих антисептиков (причем не только в медицине, но и в быту) привело к возникновению у бактерий устойчивости к спирту. Чтобы бороться с этими супербактериями, разрабатываются препараты с новыми механизмами действия.
— Спиртосодержащие антисептики могут заменить другими противомикробными веществами, например хлоргексидином. Это, конечно, не означает, что нужно прекратить использование противомикробных препаратов, но применять их надо строго по показаниям и не увлекаться антисептиками, — отметила исследователь.
Декан факультета биологической и медицинской физики Московского физико-технического института (МФТИ) Александр Мелерзанов сообщил «Известиям», что в целом вывод о том, что некоторые бактерии могут выживать под воздействием спирта, не нов.
— Уже давно проводятся исследования, которые выявляют штаммы бактерий, устойчивые к различным спиртам. В исследовании австралийских ученых речь идет о том, что в последнее время частота встречаемости таких штаммов возрастает. И это требует внимания. А вообще внутрибольничные инфекции сейчас выходят на первый план.
Что же касается инъекций, есть исследования, касающиеся, в частности, акупунктуры. Было выявлено, что дезинфекция даже 70-процентным спиртом при этой процедуре недостаточно эффективна, во многих случаях инфекции при этом проникают в организм.
Также в Европе был случай с дезинфицирующими спиртовыми салфетками — одна из партий была заражена инфекцией, и ее отзывали с продаж, — отметил Александр Мелерзанов.
Как сообщил «Известиям» заместитель директора по научной работе НИИ Антимикробной химиотерапии Смоленской государственной медицинской академии Андрей Дехнич, науке давно известно, что разные микроорганизмы обладают разной чувствительностью к факторам внешней среды, в том числе и к спирту. А «больничные» энтерококки являются одними из самых устойчивых к факторам внешней среды среди бактерий, которые могут вызывать инфекции у человека.
- — В оригинальной научной статье не сказано, что следует отказаться от использования обработки рук спиртосодержащими антисептиками, по сути, там говорится только о том, что при недостаточной экспозиции (концентрация изопропилового спирта и время его контакта с микробной клеткой) отдельные штаммы данного микроорганизма могут выживать, — отметил Андрей Дехнич.
- Всё же, по мнению ученого, возможно, лечебным учреждениям, где энтерококки начинает преобладать в этиологии внутрибольничных инфекций, стоит задуматься об использовании дополнительных или других антисептиков.
- Если существует хотя бы небольшая угроза того, что спирты потеряют свой бактериологический эффект, то это потребует серьезной перестройки медицинской экономики, считает директор Института фармации и трансляционной медицины МГМУ имени Сеченова Вадим Тарасов.
— Это действительно может быть проблемой, так как до сих пор и в России, и во всем мире спирт в больничных учреждениях применяется очень широко. Нужно будет менять всю медицинскую экономику, чтобы подобрать столь же массовый антисептик. Просчитать, насколько эффективно использование того же хлоргексидина или других средств, — отметил Вадим Тарасов.
Однако ученым еще предстоит более детально изучить вопрос устойчивости бактерий к спиртовым антисептикам.