Строение и размножение бактерий на примере Escherichia coli

Содержание

1. 1. Escherichia coli как модельный объект3
2. 2. Морфология и ультраструктура клетки5
3. 3. Бинарное деление и рост популяции8
4. 4. Горизонтальный перенос генов10
5. Список литературы12

1. Escherichia coli как модельный объект

Escherichia coli впервые описал немецкий педиатр Теодор Эшерих в 1885 году. С тех пор эта бактерия стала едва ли не самым изученным живым организмом на планете. Она выглядит как прямая палочка с закруглёнными концами, окрашивается по Граму отрицательно, что связано с особенностями строения её клеточной оболочки. В природе E. coli обычно встречается в нижних отделах кишечника теплокровных животных, включая человека. Там она живёт в мутуалистических отношениях с хозяином: участвует в синтезе витаминов и подавляет рост патогенной микрофлоры.

То, что именно эта бактерия стала моделью для изучения фундаментальных процессов прокариотической жизни, не случайно. Скорость её роста впечатляет: при температуре 37 °C и благоприятных условиях популяция удваивается каждые двадцать минут. Для исследователя это значит, что сотни поколений можно наблюдать за считанные дни, чего не позволяет ни один эукариотический объект. Культивирование E. coli не требует сложного оборудования. Достаточно простой среды с глюкозой и минеральными солями, а колонии на агаризованных пластинах вырастают уже через сутки.

Решающим аргументом в пользу E. coli стала полнота наших знаний о её генетике. Полную нуклеотидную последовательность генома лабораторного штамма K-12 опубликовали в 1997 году в группе Фредерика Блаттнера. Хромосома бактерии содержит примерно 4,6 миллионов пар оснований и кодирует около 4300 белков. Такая детальная генетическая карта позволяет точечно менять любые гены и следить за тем, как мутации влияют на физиологию клетки. Методы редактирования генома, от классической гомологичной рекомбинации до CRISPR-Cas9, впервые были отлажены именно на E. coli.

Практическое применение этой бактерии выходит далеко за пределы лабораторий. E. coli используют как фабрику для производства инсулина,

интерферона и некоторых вакцинных препаратов. Это стало возможным благодаря введению в неё плазмидных векторов с чужеродными генами. Но изучение её строения и размножения имеет и более глубокий смысл. Разобравшись в том, как устроена и делится эта в большинстве штаммов безобидная бактерия, можно понять механизмы работы всех прокариот. Многие патогенные виды, например Salmonella или Shigella, устроены сходным образом, а их отличия от E. coli часто сводятся лишь к набору факторов вирулентности.

Не стоит забывать и о том, что среди многообразия штаммов E. coli встречаются опасные варианты. Энтерогеморрагический штамм O157:H7, к примеру, вызывает тяжёлые пищевые отравления. Именно сравнительный анализ патогенных и безвредных штаммов позволяет выявить гены, отвечающие за развитие инфекций. В фундаментальном плане E. coli остаётся эталонным объектом для проверки гипотез о регуляции клеточного цикла, распределении белков между дочерними клетками и механизмах поддержания гомеостаза. Изучение её морфологии и особенностей размножения закладывает основу для понимания общих закономерностей биологии бактерий. Это необходимо как для развития биотехнологий, так и для создания новых антибактериальных препаратов.

2. Морфология и ультраструктура клетки

Клетка Escherichia coli устроена по классическому для грамотрицательных бактерий плану, хотя ряд нюансов делает этот организм исключительно удобным объектом для исследований. Внешне это палочка длиной около 2-3 мкм и толщиной 0,5-0,8 мкм, что сопоставимо с размерами митохондрий эукариот. Такая компактность сочетается с высокой сложностью организации поверхностных структур.

Фундамент всей конструкции, клеточная стенка. У E. coli она двухслойная, и это принципиальное отличие от грамположительных бактерий, у которых стенка толстая и однородная. Внутренний слой тонкий, всего 2-3 нм; это пептидогликан, или муреин. Он представляет собой сеть из параллельных полисахаридных цепей, сшитых короткими пептидными мостиками. Эта сеть придаёт клетке механическую прочность и защищает её от осмотического лизиса, ведь внутреннее давление в цитоплазме достигает нескольких атмосфер. Наружу от пептидогликана расположена внешняя мембрана, уникальная для грамотрицательных бактерий. Это асимметричный липидный бислой: внутренняя его часть состоит из фосфолипидов, а внешняя, из липополисахаридов (ЛПС). Молекула ЛПС имеет три части: липид А, якорящий её в мембране, короткий олигосахаридный кор и длинную полисахаридную цепь, выступающую наружу. Именно липид А (эндотоксин) вызывает лихорадку и воспаление у заражённого хозяина. Длинные полисахаридные цепи формируют на поверхности клетки плотный гидрофильный слой, который затрудняет проникновение антибиотиков и солей желчных кислот.

Между внешней мембраной и цитоплазматической мембраной находится периплазматическое пространство. Это не пустота, а гелеобразная среда, содержащая ферменты: гидролазы, фосфатазы и белки, связывающие питательные вещества. Здесь же расположен тонкий слой пептидогликана.

Цитоплазматическая мембрана, лежащая под периплазмой, выполняет функции, принципиально отличные от внешней. Она не просто барьер, а активный участник метаболизма. В ней встроены белки-переносчики, которые избирательно транспортируют глюкозу, аминокислоты и ионы внутрь клетки, расходуя энергию протонного градиента. Именно здесь, в мембране, локализованы ферменты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. E. coli, будучи факультативным анаэробом, способна получать энергию как через окислительное фосфорилирование, так и через субстратное. В аэробных условиях на мембране работает полный набор цитохромов; в анаэробных клетка переключается на нитратное или фумаратное дыхание. Мембрана также является местом синтеза липидов и секреции белков, которые должны попасть во внешнюю среду.

Движение обеспечивают жгутики, которых у E. coli обычно от 4 до 10. Это длинные (до 10 мкм) спиральные нити, вращающиеся с частотой до 100 оборотов в секунду. Вращение обеспечивает базальное тело, встроенное в обе мембраны и пептидогликан; оно работает как молекулярный мотор. Мотор использует энергию протонного градиента, и это одна из самых удивительных находок в биофизике. Когда жгутики вращаются против часовой стрелки, они собираются в единый пучок, и клетка плывёт прямолинейно. При смене направления вращения пучок разваливается, и бактерия начинает кувыркаться на месте, меняя ориентацию в пространстве. Такое поведение называется хемотаксисом: клетка движется в сторону повышения концентрации полезных веществ или избегает токсичных.

Помимо жгутиков, на поверхности есть пили, или фимбрии. Это более короткие и тонкие, чем жгутики, белковые выросты. Основная их функция, адгезия, то есть прикрепление к эпителиальным клеткам кишечника или к абиотическим поверхностям. Без пилей патогенные штаммы E. coli не смогли бы колонизировать организм хозяина. Существуют и специализированные половые пили, но они участвуют в конъюгации, что выходит за рамки данной главы.

Внутреннее содержимое клетки, цитоплазма, лишено мембранных органелл, характерных для эукариот. Однако она структурно организована. Основной объём занимает нуклеоид: компактно упакованная кольцевая хромосома длиной около 4,6 млн пар оснований. ДНК связана с белками и РНК, образуя структуры, похожие на домены, которые облегчают репликацию и транскрипцию. В цитоплазме рассеяно около 20-30 тысяч рибосом прокариотического типа (70S), которые активно транслируют мРНК. В условиях недостатка питательных веществ клетка накапливает включения: гликоген, полифосфаты и капли жира. Эти вещества служат запасом углерода и энергии; при голодании они быстро мобилизуются. Также в цитоплазме находятся мелкие вакуоли с растворёнными веществами, поддерживающие тургорное давление, и гранулы запасного белка. Такое сочетание структур обеспечивает автономность клетки, способной за 20 минут при оптимальной температуре 37 °C удвоить свою массу и подготовиться к делению, механизмы которого будут рассмотрены в следующей главе.

3. Бинарное деление и рост популяции

Разобравшись с устройством клетки, логично перейти к тому, как она воспроизводит себя. Для E. coli размножение, это не событие, а непрерывный процесс, который в микробиологии называют бинарным делением. Механика этого процесса отточена эволюцией до уровня точного механизма, где каждый этап жестко детерминирован.

Старт делению дает репликация ДНК. Кольцевая хромосома бактерии инициирует синтез новой копии в точке oriC, и репликационная вилка движется в обе стороны. Пока ДНК копируется, клетка начинает удлиняться, синтезируя новые слои пептидогликана в зоне будущего разделения. Ключевой момент наступает, когда две копии хромосомы расходятся к полюсам клетки, а в центре начинает собираться белковый комплекс FtsZ. Этот белок, как показано в обзорах по механизмам деления бактериальной клетки, образует кольцо, которое стягивается, формируя перегородку. Синтез пептидогликана завершает процесс, и клетка перешнуровывается на две дочерние, каждая из которых получает по полной копии генома. Весь цикл от начала репликации до разделения занимает у E. coli в стандартных лабораторных условиях около 20 минут.

Эта цифра, однако, не является константой. Время генерации, как называют период между делениями, зависит от температуры, состава питательной среды и наличия кислорода. При 37 °C и богатом бульоне E. coli делится каждые 20-30 минут. Стоит понизить температуру до 20 °C, и этот процесс растянется до двух часов. Голодание по азоту или глюкозе останавливает деление вовсе: клетка переходит в состояние стационарной фазы, где метаболизм замедлен, а ресурсы тратятся только на поддержание целостности.

Если поместить бактерии в закрытую систему, например в колбу с ограниченным объемом среды, динамика популяции подчиняется классической кривой роста. Сначала идет лаг-фаза: клетки адаптируются к свежей

среде, синтезируют ферменты и наращивают рибосомы, но еще не делятся. Затем наступает логарифмическая, или экспоненциальная, фаза, когда деление идет с максимальной скоростью и число клеток удваивается по закону геометрической прогрессии. Именно в этот период реализуется тот самый 20-минутный цикл, и популяция растет от одной клетки до миллионов за считанные часы. Но ресурсы не бесконечны. По мере исчерпания питательных веществ и накопления токсичных продуктов обмена рост замедляется, и кривая выходит на плато: это стационарная фаза, где число живых клеток остается примерно постоянным, так как скорость деления уравновешивается скоростью гибели. В конце концов наступает фаза отмирания, когда популяция начинает сокращаться.

Показательно, что даже в условиях голодания часть клеток E. coli не погибает мгновенно. Они образуют так называемые покоящиеся формы, которые устойчивы к стрессу и могут сохранять жизнеспособность месяцами. Этот механизм, описанный в учебных материалах по физиологии прокариот, позволяет бактериям пережидать неблагоприятные периоды, а при попадании в свежую среду снова запускать цикл деления. Так что бинарное деление E. coli, это не просто механическое удвоение клетки, а тонко регулируемый процесс, который в масштабах популяции демонстрирует классические законы роста, знакомые каждому микробиологу.

4. Горизонтальный перенос генов

Наследственность Escherichia coli не сводится к вертикальной передаче генов при делении клетки. Заметная доля генетического разнообразия этой бактерии появляется благодаря горизонтальному переносу: ДНК переходит между клетками, которые не являются прямыми потомками друг друга. У E. coli лучше всего изучен механизм конъюгации, который открыли Джошуа Ледерберг и Эдвард Тейтум в 1946 году на штаммах K-12.

Для конъюгации нужен непосредственный контакт двух клеток. У донора есть F-плазмида (фактор фертильности), которая кодирует белки пилей и аппарат переноса. Пиля образует мостик между клетками, и через него одноцепочечная копия плазмидной ДНК переходит в реципиента. Затем синтезируется комплементарная цепь, и клетка-реципиент превращается в донора. Так плазмида распространяется по популяции быстрее, чем делились бы сами клетки.

Плазмиды, это кольцевые молекулы ДНК, которые находятся в цитоплазме отдельно от хромосомы. У E. coli их размер колеблется от 1 до 200 тысяч пар оснований. Репликация у них автономная: используются собственные точки начала и частично ферменты клетки-хозяина. Копийность различается: одни плазмиды присутствуют в одной-двух копиях, другие (например, pUC19) накапливаются сотнями экземпляров.

Плазмиды имеют большое практическое значение. Кроме F-фактора, распространены R-плазмиды (resistance), которые несут гены устойчивости к антибиотикам. Множественную лекарственную устойчивость у шигелл, связанную с передающимися плазмидами, впервые описали в Японии в 1950-х годах. С тех пор R-плазмиды, кодирующие бета-лактамазы (ферменты, разрушающие пенициллины и цефалоспорины), стали серьёзной клинической проблемой. Особенно тревожат плазмиды с генами карбапенемаз NDM-1, найденные у E. coli и других энтеробактерий; они практически полностью защищают бактерии от

бета-лактамных антибиотиков.

Конъюгация не единственный способ обмена генами. Трансформация, это захват клеткой голой ДНК из среды, для чего нужна компетентность мембраны. У E. coli природная трансформация изучена слабо, но в лаборатории её широко используют для введения плазмид (с помощью хлорида кальция или электропорации). Трансдукция происходит через бактериофагов: фаг упаковывает фрагменты бактериальной ДНК в капсид и переносит их в новую клетку-хозяина. Обобщённую трансдукцию открыл Нортон Циндер в 1952 году; она переносит любые участки хромосомы, тогда как специализированная затрагивает только гены рядом с местом встройки профага.

Все эти механизмы вместе образуют эффективную сеть обмена генетической информацией. Горизонтальный перенос у E. coli обеспечивает быстрое распространение адаптивных признаков, прежде всего устойчивости к антибиотикам и новых метаболических способностей. Поэтому кишечная палочка остаётся не только удобным лабораторным объектом, но и моделью для изучения эволюционных процессов в реальных бактериальных сообществах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Плазмидные векторы E. coli — https://lifelib.info/microbiology/fundamental_1/41.html

2. Плазмиды — https://microsight.ssmu.ru/index.php/morfologiya-mm/anatomiya-bak-kletki-mm/plazmidy-mm

3. Механизмы деления бактериальной клетки — https://micropspbgmu.ru/downloads/MBI0253.pdf

4. Е. coli-системы: плазмидные векторы — https://studme.org/191439/geografiya/coli_sistemy_plazmidnye_vektory

5. ЭКСПРЕССИЯ РЕКОМБИНАНТНЫХ БЕЛКОВ В E. COLI — https://kpfu.ru/staff_files/F1460829242/Ekspressiya_rekombinantnykh_belkov_Khairullin_RF.pdf

6. Особенности размножения прокариот — https://profil.adu.by/mod/book/view.php?id=1044&chapterid=1512

7. Биология и медицина — http://medbiol.ru/medbiol/microbiol/000dab48.htm

8. Гены кишечной палочки проверили на вредность — https://www.nkj.ru/news/44775/