XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

Модельные организмы представляют собой биологические объекты, используемые в научных исследованиях для изучения фундаментальных биологических процессов и явлений. Их применение охватывает широкий спектр таксономических групп. Исследования, проводимые на модельных организмах, позволяют выявлять общие закономерности, применимые к широкому кругу живых существ, в том числе и человеку. Использование модельных организмов становится особенно важным в тех случаях, когда проведение аналогичных исследований на людях ограничено техническими или этическими соображениями.

В современном научном мире Escherichia coli (кишечная палочка) широко используется в исследованиях как в научной, так и в клинической практике. Её популярность обусловлена быстрым ростом и простотой культивирования. E.coli играет важную роль в промышленной микробиологии и биоинженерии, выступая в качестве универсального организма для производства рекомбинантных белков. Модифицированные штаммы E.coli находят применение в разработке вакцин, синтезе иммобилизованных ферментов и решении других задач биотехнологии.

Основная часть

Кишечная палочка (Escherichia coli) — это вид грамотрицательных неспорообразующих палочковидных бактерий, относящихся к роду эшерихий. Они обладают перитрихиальным типом жгутиков и являются факультативными анаэробами. Эти бактерии мезофильные, каталазоположительные и оксидазоотрицательные.

Эшерихии принадлежат к типу Proteobacteria, классу Gammaproteobacteria, порядку Enterobacteriales, семейству Enterobacteriaceae и роду Escherichia. Наиболее значимым для медицины видом этого рода является Escherichia coli, известная как кишечная палочка. В зависимости от антигенных свойств эшерихии делятся на серогруппы. Впервые эшерихии были выделены в 1885 году немецким педиатром Теодором Эшерихом из кала ребенка, страдающего "детской холерой". Т. Эшерих назвал этот микроорганизм Bacterium coli communis. Позже, в 1919 году, бактерия была переименована в Escherichia coli в честь её первооткрывателя. Полная последовательность генома кишечной палочки была впервые опубликована в 1997 году для штамма Escherichia coli K-12 MG1655.

Размеры (около 1–6 мкм в длину и 0,35–1,5 мкм в ширину) могут варьироваться в зависимости от штамма и условий культивирования. Клетки кишечной палочки могут быть как подвижными, так и неподвижными.

Геном данного вида бактерий содержит около 4000–5500 генов и варьируется между различными штаммами. Escherichia coli легко культивируется в лабораторных условиях, поддается генетическим модификациям и включает как патогенные, так и непатогенные штаммы, что делает её одним из наиболее исследуемых и широко используемых прокариотических модельных организмов. Штамм Escherichia coli K-12 является наиболее изученным и служит стандартом для данного вида. К важным модельным штаммам относятся патогенные штаммы, вызывающие инфекции мочевыводящих путей, такие как Escherichia coli IAI39, а также инфекционные агенты, связанные с развитием геморрагического колита – Escherichia coli O157:H7 str. Sakai; болезни Крона – Escherichia coli O83:H1 str. NRG 857C; и гемолитико-уремического синдрома – Escherichia coli O104:H4 str. 2011C-3493.

Структура кишечной палочки схожа со структурой большинства грамотрицательных бактерий. Клетка включает капсулу, клеточную стенку, цитоплазму, нуклеоид, плазмиды, рибосомы, жгутики и ворсинки. Оптимальный уровень pH для роста кишечной палочки составляет 6,5–7,5, а температура – примерно 37 °C. Escherichia coli относится к мезофилам и факультативным термофилам.

Историческая справка

Кишечная палочка, являясь популярным объектом молекулярно-генетических и микробиологических исследований, представляет собой наиболее подробно изученный организм на молекулярном уровне. В результате были составлены генетические карты хромосомы кишечной палочки, исследованы закономерности мутаций и основные метаболические пути этого микроорганизма. Бактерии удобны для ученых благодаря своей способности к быстрому размножению и простоте в манипуляциях.

Кишечная палочка играет значительную роль в современной биоинженерии и промышленной микробиологии. Исследования Стэнли Нормана Коэна и Герберта Бойера с использованием E. coli, плазмид и рестрикционных ферментов для создания рекомбинантной ДНК стали основой для развития биотехнологии.

Использование технологии рекомбинантной ДНК позволило в числе первых достижений получить человеческий инсулин с помощью Escherichia coli. Модифицированные штаммы этой бактерии нашли применение в создании вакцин и производстве иммобилизованных ферментов. Escherichia coli широко используется как модельный объект в микробиологических исследованиях. Культивируемые штаммы, такие как E. coli K-12, благодаря адаптации к лабораторным условиям, отличаются от диких штаммов, утративших способность к эффективному росту в кишечнике.

В 1946 году Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум впервые описали феномен бактериальной конъюгации, используя E. coli в качестве модельного организма. С тех пор этот вид бактерии остается основным объектом исследований в области конъюгации.

E. coli играла ключевую роль в ранних экспериментах по генетике фагов. Исследователи, такие как Сеймур Бензер, использовали E. coli и бактериофаг T4 для изучения структуры генов. До работ Сеймура Бензера не было известно, является ли ген линейной молекулой или имеет разветвленную структуру. E. coli стал одним из первых организмов, геном которого был полностью секвенирован. Полный геном штамма E. coli К-12 был опубликован в 1997 году.

Современные области применения

Большой объем знаний в области биохимических, физиологических и генетических процессов у Escherichia coli способствовало значительным успехам в области биоинженерии и синтетической биологии, используя эту бактерию в качестве модельного организма.

Бактерия Escherichia coli широко используется в фармацевтической промышленности для производства рекомбинантных терапевтических белков. Данный метод «in vivo» позволяет синтезировать целый ряд важных биологических соединений, таких как инсулин для лечения сахарного диабета, интерлейкин-2, применяемый при метастатической меланоме, человеческий интерферон-β, эритропоэтин и соматотропин.

В области эволюционной биологии Escherichia coli служит ценным инструментом для изучения случайного характера мутаций, взаимосвязи между изменениями в геноме и адаптацией, а также влияния полового размножения на адаптивные процессы и появление новых признаков.

В сфере генной инженерии и биотехнологии E. coli используется в качестве модели для разработки и усовершенствования методов генной модификации, таких как молекулярное клонирование, работа с рекомбинантной ДНК и замена аллелей.

Заключение

Escherichia coli играет важную роль в экспериментальной медицине как модельный объект, что позволяет проводить научные исследования и разрабатывать инновационные методы лечения различных заболеваний. На сегодняшний день её потенциал продолжает активно развиваться, открывая новые возможности для применения в биотехнологии, молекулярной генетике, фармацевтике и медицине. Дальнейшие исследования с использованием Escherichia coli могут привести к важным открытиям и разработкам, которые внесут вклад в повышение качества жизни людей и борьбу с различными заболеваниями.

Список литературы

1 . Литусов Н.В. Эшерихии. Иллюстрированное учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГМА, 2016. - 36 с.

2. Тищенко А. С., Степаненко А. В., Терехов В. И. Экзотоксины патогенных Escherichia coli // Ветеринария Кубани. — 2020. — № 5. — С. 3–7. — DOI 10.33861/2071-8020-2020-5-3-7. — EDN JEGPTV.

3. Nataro J. P., Kaper J. B. Diarrheagenic Escherichia coli // Clin Microbiol Rev. — 1998. — Vol. 11, № 1. — P. 142–201.

4. Вазерханова З.М. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И ЕЁ ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ // Мировая наука. 2017. №9 (9). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gennaya-inzheneriya-i-eyoosnovnye-metody (дата обращения: 10.02.2025).

5. Гусев М.В., Минеева Л.А., Микробиология, 4-е изд., стер. - М.: Академия, 2003. — 464 с.

6. Тимощенко Л.В., Чубик М.В., Основы микробиологии и биотехнологии: учебное пособие Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 194 с.