Удивительные и разнообразные способы, которыми бактерия E.coli способствовала прогрессу науки

Escherichia coli, более известная как E. coli, является одной из немногих бактерий, широко известных под своим полным названием. Причина этого не очень приятная: E. coli — это разнообразная группа бактерий, которые обычно обитают в кишечнике человека и животных, а некоторые виды могут вызывать серьезные заболевания у людей. Именно поэтому, к сожалению, она довольно часто появляется в средствах массовой информации. Но не все E. coli одинаковы. «Некоторые члены семейства E. coli создали группе плохую репутацию», — отмечает писатель Карл Циммер, автор книги «Микрокосмос: E. coli и новая наука о жизни» (2008). Тем не менее, многие из тех, которые входят в состав нашей микрофлоры желудочно-кишечного тракта, необходимы для правильного функционирования пищеварительного процесса, а также участвуют в производстве витаминов B и K. Более того, некоторые ученые утверждают, что E. coli дала нам ответ на секрет самой жизни. «Это помогло нам понять, кто мы такие», — отметил Циммер. «Ведь за пределами кишечника на протяжении более полутора веков его роль была удивительно почетной». Эта широко распространенная бактерия имеет необыкновенную историю, поскольку сыграла ключевую роль в таких важных научных открытиях, как изучение основ жизни. «Она была одним из первых организмов, генетический код которого был расшифрован, что углубило наше понимание ДНК и, следовательно, расширило наши знания о том, как мы функционируем. Многие генетические свойства, определяющие жизнь бактерии, применимы к нам и многим другим животным». Ученый Жак Моно подытожил это следующим образом: «То, что верно для E. coli, верно и для слона». «Благодаря E. coli стали возможными открытия в области микробиологии, молекулярной генетики и биохимии, в том числе о том, как реплицируется ДНК, как гены создают белки и как бактерии обмениваются генетическим материалом между собой, что является одной из основных причин резистентности к антибиотикам. В биотехнологии она сыграла ключевую роль в многочисленных открытиях. Одно из самых последних касалось E. coli. coli, генетически модифицированная таким образом, чтобы после потребления молекулы, полученной из пластика, производить парацетамол. Автором этого нового способа использования пластиковых отходов стал Стивен Уоллес из Эдинбургского университета, который рассказал Зои Корбин из BBC, что он автоматически выбрал эту бактерию, поскольку некоторые непатогенные штаммы широко используются в лабораториях для проверки эффективности различных методов. E. coli является основным «рабочим лошадкой» в этой области, отметил эксперт по химической биотехнологии, который также генетически модифицировал ее в лаборатории, чтобы превратить пластиковые отходы в ванильный аромат, а сточные воды — в духи. «Рабочая лошадка» — это модельный организм, который часто и последовательно используется в лабораториях. Другими известными модельными организмами являются мыши, плодовые мухи и хлебопекарные дрожжи. Дрожжи, как и E. coli, также являются неоценимым инструментом в биотехнологии, как в лабораторных условиях, так и на промышленном уровне, но имеют более сложную клеточную структуру и различные области применения. «Если вы хотите доказать, что что-то возможно с помощью биологии, E. coli — это естественный первый шаг», — утверждает Уоллес. Использование микроорганизма не ограничивается лабораторией. «В промышленности резервуары с E. Генетически модифицированные кишечные бактерии функционируют как живые фабрики, производящие различные продукты, от лекарств до различных химических веществ, используемых в производстве топлива и растворителей. Но как E. coli стала опорой науки? «Преобладание E. coli объясняется ее ролью в качестве модельного организма для понимания общих биологических принципов, — объясняет Томас Силхави, профессор молекулярной биологии Принстонского университета, который изучает эту бактерию около 50 лет и документировал ее историю». E. coli была впервые выделена в 1885 году немецким педиатром Теодором Эшерихом, который изучал микрофлору кишечника детей. «Благодаря быстрому росту и простоте в обращении ученые начали использовать ее для изучения основ бактериальной биологии». Затем, в 1940-х годах, она стала знаменитой, рассказывает Силхави. Непатогенный штамм E. coli (K-12) был использован для доказательства того, что бактерии не только делятся, но и могут вступать в «бактериальный секс», в ходе которого они обмениваются и рекомбинируют гены для получения новых характеристик. «Это было историческое открытие, и E. coli стала «любимым организмом всех», — утверждает он. Впоследствии E. coli сыграла центральную роль во многих других открытиях и достижениях в области генетики и молекулярной биологии. «Она была использована для расшифровки генетического кода, а в 1970-х годах стала первым генетически модифицированным организмом путем введения чужеродной ДНК, заложив основу современной биотехнологии». Она также решила проблему производства инсулина. Для лечения диабета использовался инсулин крупного рогатого скота и свиней, но у некоторых пациентов он вызывал аллергические реакции. «Однако в 1978 году был создан первый синтетический человеческий инсулин, который производился с использованием E. coli, что стало большим прорывом». В 1997 году она стала одним из первых организмов, полный геном которого был секвенирован, что облегчило его понимание и манипулирование. «Несколько форм E. coli были модифицированы на благо человечества. Бактерия размножается в десятках тысяч научных институтов по всему миру. Она используется как микрофабрика: с правильными инструкциями ее можно модифицировать для быстрого производства сотен генов специфических белков. Кроме того, она проста в культивировании, не требует большого количества энергии и сложных условий жизни. Еще один важный для ученых момент: она легко модифицируется и быстро размножается. «В результате бактерия используется в производстве антибиотиков, вакцин и многих других лекарственных средств», — объяснил BBC Адам Файст, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего, занимающийся разработкой микроорганизмов для промышленного применения, почему он так ценит этот конкретный микроорганизм. Помимо обширных знаний о ее генетике и инструментов, облегчающих ее инженерию, бактерия быстро и предсказуемо растет на широком спектре субстратов. «Она не такая привередливая, как другие, ее можно без проблем замораживать и оживлять, и она исключительно хорошо приспособлена для хранения чужеродной ДНК». «Чем больше я работаю с микроорганизмами, тем больше я ценю прочность E. coli», — утверждает он. Он не единственный. «Однако некоторые задаются вопросом, не мешает ли доминирование E. coli найти лучшие биотехнологические решения наших проблем». Пол Дженсен, микробиолог и инженер из Мичиганского университета, изучающий бактерии, обитающие в нашей полости рта, недавно проанализировал, насколько мало изучены большинство других бактерий по сравнению с E. coli. «Его мысль заключается в том, что, хотя мы все чаще обнаруживаем замечательные вещи, которые можно делать с E. coli, coli, могут существовать другие микробы, которые делают то же самое естественным образом (и даже лучше), но не привлекают внимания, и мы упускаем их преимущества, потому что их не ищут и не изучают. «Биоразведка на свалках, например, может выявить микробы, которые начали потреблять не только пластик, но и все виды отходов, — утверждает он. — И могут быть бактерии, которые выполняют функции, о которых мы даже не догадываемся. «Мы настолько увлечены темой E. coli, что не проводим достаточных исследований», — утверждает он. «Есть несколько альтернатив, над которыми ведется работа, чтобы расширить выбор, в том числе Vibrio natriegens (V. nat), который начал привлекать внимание как потенциальный конкурент E. coli». V. nat была впервые выделена в солончаке в штате Джорджия, США, в 1960-х годах, но оставалась в значительной степени неизвестной в коллекциях культур и морозильных камерах до середины 2010-х годов, когда была признана за свою сверхбыструю скорость роста (в два раза выше, чем у E. coli), что может быть значительным преимуществом для промышленности. «Он также гораздо более эффективен в поглощении чужеродной ДНК, — говорит Буз Барстоу, биологический и экологический инженер из Корнельского университета, который входит в число разработчиков этого организма, — и его способность по сравнению с E. coli можно сравнить с «переходом с лошади на автомобиль». Подход Барстоу к V. Нат основан на его желании использовать микробы для решения крупных проблем устойчивого развития, от производства авиационного топлива из углекислого газа и зеленой электроэнергии до добычи редкоземельных элементов. «E. coli не поможет нам реализовать ни одну из этих идей. V. natriegens может», — утверждает он. В этом году его лаборатория создала компанию Forage Evolution, которая работает над инструментами, которые облегчат исследователям их проектирование в лаборатории. «Фейст признает, что V. nat обладает привлекательными свойствами, но для широкого применения все еще не хватает необходимых генетических инструментов, и она еще не доказала свою эффективность в крупных масштабах». В этом и других аспектах E. coli опережает ее. Это, пожалуй, один из наиболее изученных организмов, настолько, что некоторые ученые говорят, что мы знаем о нем больше, чем о себе самих. «E. coli трудно заменить», — заключает Файст.