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¿Por qué E. Coli se hace más grande si se replica más rápido?

¿Por qué E. Coli se hace más grande si se replica más rápido?


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Cuando E. Coli se divide más rápido, tienden a tener mayores volúmenes. Si las mismas células se cultivan en un medio más pobre, tendrán ciclos de replicación más largos y se encogerán. ¿Cuál es la explicación de este fenómeno?

Refs.

http://book.bionumbers.org/how-many-ribosomes-are-in-a-cell/ http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0023126


Las bacterias que se dividen rápidamente contienen más de un cromosoma bacteriano, ya menudo más de dos. Los cromosomas ocupan una gran cantidad de espacio en el citoplasma y también adherirse a la membrana citoplasmática. Más El ADN cromosómico requiere mas grande área de superficie citoplásmica; mas grande superficie, mas grande volumen.


Aquí hay una forma de pensar en esto. La pregunta clave es "¿cómo decide la célula cuándo dividirse"?

Puedes imaginar que hay dos mecanismos principales:

  1. La célula necesita realizar alguna tarea que requiere más o menos una cantidad constante de tiempo (la replicación del ADN puede ser un ejemplo cercano). Una vez hecho esto, se puede dividir

  2. La célula necesita acumular una cierta cantidad de biomasa para crecer hasta un cierto tamaño (la síntesis de proteínas está más cerca de esto). Cuando llega allí, se puede dividir.

(1) a menudo se denomina "Temporizador"hipótesis y (2) la"dimensionador"hipótesis.

Si (1) fuera cierto, las células crecerían a la misma velocidad independientemente del medio. Si (2) fuera verdadero, entonces todas las celdas tendrían siempre el mismo tamaño independientemente del medio. Ninguna de las afirmaciones es cierta, por lo que la verdad es una combinación de ambos efectos.

Sin embargo, bajo el Temporizador En la hipótesis, el tamaño de celda más grande con una tasa de crecimiento más rápida resulta de forma natural, ya que el tamaño de la celda vendrá determinado por la cantidad de biomasa que se puede acumular durante el tiempo constante. Por lo tanto, siempre que haya algún aspecto de "esperar por algo que requiera una cierta cantidad de tiempo", obtendrá una correlación positiva entre el tamaño y la tasa de crecimiento.

Ahora bien, esta es una explicación extremadamente ingenua. De hecho, no todas las bacterias muestran esta correlación. También hay otros modelos además de "temporizador" y "medidor", p. Ej. aquí hay un modelo de "sumador" que también explica el efecto de tamaño.

Google "control del tamaño de las células en bacterias" para una tonelada más de artículos.


Dentro de su diminuta celda, la bacteria E. coli contiene toda la información genética que necesita para metabolizarse, crecer y reproducirse. Puede sintetizar todas las moléculas orgánicas que necesita a partir de glucosa y varios iones inorgánicos. Muchos de los genes en E. coli se expresan constitutivamente, es decir, siempre se giran en & quot; on & quot. Otros, sin embargo, son activos solo cuando la célula necesita sus productos, por lo que su expresión debe ser regulada.

  • Si el aminoácido triptófano (Trp) al cultivo, las bacterias pronto dejan de producir las cinco enzimas que antes se necesitaban para sintetizar Trp a partir de intermediarios producidos durante la respiración de la glucosa. En este caso, la presencia de productos de acción enzimática. reprime síntesis de enzimas.
  • Por el contrario, agregar un nuevo sustrato al medio de cultivo puede inducir la formación de nuevas enzimas capaces de metabolizar ese sustrato. Si tomamos una cultura de E. coli que se alimenta de glucosa y transfiere algunas de las células a un medio que contiene lactosa, se produce una reveladora secuencia de eventos.
    • Al principio, las células están inactivas: no metabolizan la lactosa, sus otras actividades metabólicas disminuyen y cesa la división celular.
    • Pronto, sin embargo, el cultivo comienza a crecer rápidamente de nuevo y la lactosa se consume rápidamente. ¿Lo que ha sucedido? Durante el intervalo de reposo, las células comenzaron a producir tres enzimas.
    • a permear que transporta lactosa a través de la membrana plasmática desde el medio de cultivo al interior de la célula
    • beta-galactosidasa que convierte la lactosa en la alolactosa intermedia y luego la hidroliza en glucosa y galactosa. Una vez en presencia de lactosa, la cantidad de beta-galactosidasa en las células aumenta de una pequeña cantidad a casi el 2% del peso de la célula.
    • a transacetilasa cuya función aún es incierta.

    Los científicos crearon bacterias con un genoma sintético. ¿Es esto vida artificial?

    En un hito para la biología sintética, las colonias de E. coli prosperan con ADN construido desde cero por humanos, no por la naturaleza.

    Los científicos han creado un organismo vivo cuyo ADN está completamente hecho por el hombre, tal vez una nueva forma de vida, dijeron los expertos, y un hito en el campo de la biología sintética.

    Investigadores del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica en Gran Bretaña informaron el miércoles que habían reescrito el ADN de la bacteria Escherichia coli, creando un genoma sintético cuatro veces más grande y mucho más complejo que cualquiera de los creados anteriormente.

    Las bacterias están vivas, aunque de forma inusual y se reproducen lentamente. Pero sus células operan de acuerdo con un nuevo conjunto de reglas biológicas, produciendo proteínas familiares con un código genético reconstruido.

    El logro algún día puede conducir a organismos que produzcan nuevos medicamentos u otras moléculas valiosas, como fábricas vivientes. Estas bacterias sintéticas también pueden ofrecer pistas sobre cómo surgió el código genético en la historia temprana de la vida.

    "Es un hito", dijo Tom Ellis, director del Centro de Biología Sintética del Imperial College de Londres, que no participó en el nuevo estudio. "Nadie ha hecho algo así en términos de tamaño o en términos de cantidad de cambios antes".

    Cada gen en un genoma vivo se detalla en un alfabeto de cuatro bases, moléculas llamadas adenina, timina, guanina y citosina (a menudo descritas solo por sus primeras letras: A, T, G, C). Un gen puede estar formado por miles de bases.

    Los genes dirigen a las células a elegir entre 20 aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, los caballos de batalla de cada célula. Las proteínas realizan una gran cantidad de funciones en el cuerpo, desde transportar oxígeno en la sangre hasta generar fuerza en nuestros músculos.

    Hace nueve años, los investigadores construyeron un genoma sintético que tenía un millón de pares de bases de largo. El nuevo genoma de E. coli, publicado en la revista Nature, tiene cuatro millones de pares de bases y tuvo que construirse con métodos completamente nuevos.

    El nuevo estudio fue dirigido por Jason Chin, biólogo molecular del M.R.C. laboratorio, que quería entender por qué todos los seres vivos codifican la información genética de la misma manera desconcertante.

    La producción de cada aminoácido en la célula está dirigida por tres bases dispuestas en la cadena de ADN. Cada uno de estos tríos se conoce como codón. El codón TCT, por ejemplo, asegura que un aminoácido llamado serina se adhiera al final de una nueva proteína.

    Dado que solo hay 20 aminoácidos, uno pensaría que el genoma solo necesita 20 codones para producirlos. Pero el código genético está lleno de redundancias, por razones que nadie comprende.

    Los aminoácidos están codificados por 61 codones, no por 20. La producción de serina, por ejemplo, está gobernada por seis codones diferentes. (Otros tres codones se denominan codones de terminación y le dicen al ADN dónde detener la construcción de un aminoácido).

    Como muchos científicos, el Dr. Chin estaba intrigado por toda esta duplicación. ¿Fueron todos estos trozos de ADN esenciales para la vida?

    "Debido a que la vida usa universalmente 64 codones, realmente no teníamos una respuesta", dijo el Dr. Chin. Así que se propuso crear un organismo que pudiera arrojar algo de luz sobre la cuestión.

    Imagen

    Después de algunos experimentos preliminares, él y sus colegas diseñaron una versión modificada del genoma de E. coli en una computadora que solo requería 61 codones para producir todos los aminoácidos que el organismo necesita.

    En lugar de requerir seis codones para producir serina, este genoma usó solo cuatro. Tenía dos codones de parada, no tres. En efecto, los investigadores trataron el ADN de E. coli como si fuera un archivo de texto gigantesco, realizando una función de búsqueda y reemplazo en más de 18.000 puntos.

    Ahora los investigadores tenían un plan para un nuevo genoma de cuatro millones de pares de bases de largo. Podían sintetizar el ADN en un laboratorio, pero introducirlo en las bacterias, esencialmente sustituyendo los genes sintéticos por los producidos por la evolución, fue un desafío abrumador.

    El genoma era demasiado largo y complicado para introducirlo en una célula de un solo intento. En cambio, los investigadores construyeron pequeños segmentos y los intercambiaron pieza por pieza en genomas de E. coli. Cuando terminaron, no quedaban segmentos naturales.

    Para su alivio, la E. coli alterada no murió. Las bacterias crecen más lentamente que la E. coli normal y desarrollan células más largas en forma de bastón. Pero están muy vivos.

    El Dr. Chin espera aprovechar este experimento eliminando más codones y comprimiendo aún más el código genético. Quiere ver cuán optimizado puede ser el código genético sin dejar de mantener la vida.

    El equipo de Cambridge es solo una de las muchas carreras en los últimos años para construir genomas sintéticos. La lista de usos potenciales es larga. Una posibilidad atractiva: es posible que los virus no puedan invadir las células recodificadas.

    Hoy en día, muchas empresas utilizan microbios modificados genéticamente para fabricar medicamentos como la insulina o productos químicos útiles como las enzimas detergentes. Si un brote viral golpea los tanques de fermentación, los resultados pueden ser catastróficos. Un microbio con ADN sintético podría volverse inmune a tales ataques.

    La recodificación del ADN también podría permitir a los científicos programar células diseñadas para que sus genes no funcionen si escapan a otras especies. “Crea un cortafuegos genético”, dijo Finn Stirling, biólogo sintético de la Escuela de Medicina de Harvard que no participó en el nuevo estudio.

    Los investigadores también están interesados ​​en recodificar la vida porque abre la oportunidad de hacer moléculas con tipos de química completamente nuevos.

    Más allá de los 20 aminoácidos utilizados por todos los seres vivos, existen cientos de otros tipos. Un código genético comprimido liberará codones que los científicos pueden usar para codificar estos nuevos bloques de construcción, creando nuevas proteínas que llevan a cabo nuevas tareas en el cuerpo.

    James Kuo, investigador postdoctoral de la Escuela de Medicina de Harvard, ofreció una nota de precaución. Unir bases para hacer genomas sigue siendo enormemente costoso.

    "Es demasiado caro para los grupos académicos seguir adelante", dijo el Dr. Kuo.

    Pero E. coli es un caballo de batalla de la investigación de laboratorio, y ahora está claro que su genoma se puede sintetizar. No es difícil imaginar que los precios caerán a medida que aumente la demanda de ADN sintético personalizado. Los investigadores podrían aplicar los métodos del Dr. Chin a la levadura u otras especies.


    Muévete sobre CRISPR, vienen los retrones

    Modelo 3D de ADN. Crédito: Michael Ströck / Wikimedia / Licencia de documentación libre GNU

    Si bien el sistema de edición de genes CRISPR-Cas9 se ha convertido en el modelo estrella de la innovación en biología sintética, tiene algunas limitaciones importantes. CRISPR-Cas9 se puede programar para encontrar y cortar fragmentos específicos de ADN, pero editar el ADN para crear las mutaciones deseadas requiere engañar a la célula para que utilice un nuevo fragmento de ADN para reparar la rotura. Este cebo y cambio puede ser complicado de orquestar e incluso puede ser tóxico para las células porque Cas9 a menudo también corta sitios no deseados fuera del objetivo.

    En cambio, las técnicas alternativas de edición de genes llamadas recombinaciones realizan este cebo y cambio al introducir una pieza alternativa de ADN mientras una célula está replicando su genoma, creando de manera eficiente mutaciones genéticas sin romper el ADN. Estos métodos son lo suficientemente simples como para que se puedan utilizar en muchas células a la vez para crear conjuntos complejos de mutaciones para que los estudien los investigadores. Sin embargo, averiguar cuáles son los efectos de esas mutaciones requiere que cada mutante sea aislado, secuenciado y caracterizado: una tarea que requiere mucho tiempo y es poco práctica.

    Investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y la Escuela de Medicina de Harvard (HMS) han creado una nueva herramienta de edición de genes llamada Retron Library Recombineering (RLR) que facilita esta tarea. RLR genera hasta millones de mutaciones simultáneamente y "códigos de barras" de células mutantes para que todo el grupo pueda ser examinado a la vez, lo que permite generar y analizar fácilmente cantidades masivas de datos. El logro, que se ha logrado en células bacterianas, se describe en un artículo reciente en PNAS.

    "RLR nos permitió hacer algo que es imposible de hacer con CRISPR: cortamos aleatoriamente un genoma bacteriano, convertimos esos fragmentos genéticos en ADN monocatenario in situ y los usamos para analizar millones de secuencias simultáneamente", dijo el co-primer autor Max Schubert, Ph.D., un postdoctorado en el laboratorio del miembro de la facultad de Wyss Core, George Church, Ph.D. "RLR es una herramienta de edición de genes más simple y flexible que se puede utilizar para experimentos altamente multiplexados, lo que elimina la toxicidad que a menudo se observa con CRISPR y mejora la capacidad de los investigadores para explorar mutaciones a nivel del genoma".

    Retrons: del enigma a la herramienta de ingeniería

    Los retrones son segmentos de ADN bacteriano que se someten a transcripción inversa para producir fragmentos de ADN monocatenario (ssDNA). La existencia de Retron se conoce desde hace décadas, pero la función del ssDNA que producen desconcertó a los científicos desde la década de 1980 hasta junio de 2020, cuando un equipo finalmente descubrió que Retron ssDNA detecta si un virus ha infectado la célula, formando parte de la inmunidad bacteriana. sistema.

    Si bien los retrones originalmente se consideraban simplemente una misteriosa peculiaridad de las bacterias, los investigadores se han interesado más en ellos en los últimos años porque, como CRISPR, podrían usarse para la edición de genes precisa y flexible en bacterias, levaduras e incluso células humanas.

    "Durante mucho tiempo, CRISPR se consideró algo extraño que hacían las bacterias, y descubrir cómo aprovecharlo para la ingeniería del genoma cambió el mundo. Los retrones son otra innovación bacteriana que también podría proporcionar algunos avances importantes", dijo Schubert. Su interés por los retrones se despertó hace varios años debido a su capacidad para producir ssDNA en bacterias, una característica atractiva para su uso en un proceso de edición de genes llamado recombineering de oligonucleótidos.

    Las técnicas de edición de genes basadas en la recombinación requieren la integración de ssDNA que contiene una mutación deseada en el ADN de un organismo, lo que se puede hacer de dos formas. El ADN de doble hebra se puede cortar físicamente (con CRISPR-Cas9, por ejemplo) para inducir a la célula a incorporar la secuencia mutante en su genoma durante el proceso de reparación, o la hebra de ADN mutante y una proteína de hibridación de una sola hebra (SSAP) pueden introducirse en una célula que se está replicando para que el SSAP incorpore la hebra mutante en el ADN de las células hijas.

    "Pensamos que los retrones deberían darnos la capacidad de producir ssDNA dentro de las células que queremos editar en lugar de tratar de forzarlos a entrar en la célula desde el exterior, y sin dañar el ADN nativo, que eran cualidades muy convincentes", dijo el co -primer autor Daniel Goodman, Ph.D., ex becario de investigación de posgrado en el Instituto Wyss que ahora es becario posdoctoral de Jane Coffin Childs en UCSF.

    Otro atractivo de los retrones es que sus propias secuencias pueden servir como "códigos de barras" que identifican qué individuos dentro de un grupo de bacterias han recibido cada secuencia de retrones, lo que permite pantallas agrupadas dramáticamente más rápidas de cepas mutantes creadas con precisión.

    Para ver si realmente podían usar retrones para lograr una recombinación eficiente con retrones, Schubert y sus colegas primero crearon plásmidos circulares de ADN bacteriano que contenían genes de resistencia a antibióticos colocados dentro de secuencias de retrones, así como un gen SSAP para permitir la integración de la secuencia de retrones en el genoma bacteriano. Insertaron estos plásmidos retron en bacterias E. coli para ver si los genes se integraron con éxito en sus genomas después de 20 generaciones de replicación celular. Inicialmente, menos del 0,1% de E. coli que lleva el sistema de recombinación retron incorporó la mutación deseada.

    Para mejorar este decepcionante rendimiento inicial, el equipo hizo varios ajustes genéticos a la bacteria. Primero, inactivaron la maquinaria de reparación de errores de apareamiento natural de las células, que corrige los errores de replicación del ADN y, por lo tanto, podría estar "arreglando" las mutaciones deseadas antes de que pudieran pasar a la siguiente generación. También inactivaron dos genes bacterianos que codifican exonucleasas, enzimas que destruyen el ADNss flotante. Estos cambios aumentaron drásticamente la proporción de bacterias que incorporaron la secuencia de retroceso, a más del 90% de la población.

    Etiquetas de nombre para mutantes

    Ahora que estaban seguros de que su ssDNA de retron se había incorporado a los genomas de sus bacterias, el equipo probó si podían utilizar los retron como un "atajo" de secuenciación genética, lo que permitió realizar muchos experimentos en una mezcla. Debido a que cada plásmido tenía su propia secuencia de retron única que puede funcionar como una "etiqueta de nombre", razonaron que deberían poder secuenciar el retron mucho más corto en lugar de todo el genoma bacteriano para determinar qué mutación habían recibido las células.

    Primero, el equipo probó si RLR podía detectar mutaciones conocidas de resistencia a antibióticos en E. coli. Descubrieron que sí: las secuencias de retroceso que contenían estas mutaciones estaban presentes en proporciones mucho mayores en sus datos de secuenciación en comparación con otras mutaciones. El equipo también determinó que RLR era lo suficientemente sensible y preciso como para medir pequeñas diferencias en la resistencia que resultan de mutaciones muy similares. Fundamentalmente, la recopilación de estos datos mediante la secuenciación de códigos de barras de todo el grupo de bacterias en lugar de aislar y secuenciar mutantes individuales, acelera drásticamente el proceso.

    Luego, los investigadores llevaron el RLR un paso más allá para ver si podía usarse en ADN fragmentado aleatoriamente y averiguar cuántos retrones podían usar a la vez. Cortaron el genoma de una cepa de E. coli altamente resistente a otro antibiótico y usaron esos fragmentos para construir una biblioteca de decenas de millones de secuencias genéticas contenidas dentro de secuencias de retrones en plásmidos. "La simplicidad de RLR realmente brilló en este experimento, porque nos permitió construir una biblioteca mucho más grande que la que podemos usar actualmente con CRISPR, en la que tenemos que sintetizar tanto una guía como una secuencia de ADN donante para inducir cada mutación". dijo Schubert.

    A continuación, esta biblioteca se introdujo en la cepa de E. coli optimizada para RLR para su análisis. Una vez más, los investigadores encontraron que los retrones que confieren resistencia a los antibióticos podían identificarse fácilmente por el hecho de que se enriquecían con respecto a otros cuando se secuenciaba el grupo de bacterias.

    "Ser capaz de analizar bibliotecas de mutantes con códigos de barras agrupadas con RLR permite realizar millones de experimentos simultáneamente, lo que nos permite observar los efectos de las mutaciones en todo el genoma, así como cómo esas mutaciones podrían interactuar entre sí", dijo el autor principal George Church, quien dirige el Área de Enfoque de Biología Sintética del Instituto Wyss y también es Profesora de Genética en HMS. "Este trabajo ayuda a establecer una hoja de ruta hacia el uso de RLR en otros sistemas genéticos, lo que abre muchas posibilidades interesantes para la investigación genética futura".

    Otra característica que distingue a RLR de CRISPR es que la proporción de bacterias que integran con éxito una mutación deseada en su genoma aumenta con el tiempo a medida que las bacterias se replican, mientras que el método "one shot" de CRISPR tiende a tener éxito o fallar en el primer intento. RLR podría potencialmente combinarse con CRISPR para mejorar su rendimiento de edición, o podría usarse como una alternativa en los muchos sistemas en los que CRISPR es tóxico.

    Queda mucho trabajo por hacer en RLR para mejorar y estandarizar la velocidad de edición, pero crece el entusiasmo por esta nueva herramienta. La naturaleza simple y optimizada de RLR podría permitir el estudio de cómo interactúan múltiples mutaciones entre sí y la generación de una gran cantidad de puntos de datos que podrían permitir el uso del aprendizaje automático para predecir más efectos mutacionales.


    Cómo funcionan las células de E. coli en el intestino humano

    El biólogo celular y molecular Ken Campellone ha descubierto un factor clave en cómo la E. coli dañina afecta los intestinos de las personas.

    Una imagen de microscopio electrónico de barrido del pedestal formado por E. coli dañina en el intestino grueso humano. (Foto de Ken Campellone / UConn)

    Ken Campellone, profesor asistente de biología molecular y celular en la Facultad de Artes y Ciencias Liberales, en su laboratorio en Beach Hall. (Foto de Christine Buckley / UConn)

    La bacteria Escherichia coli, comúnmente conocido como E. coli, tiene una reputación engañosa. Los científicos nos dicen que la mayoría de las cepas del microbio viven pacíficamente en nuestras tripas o en las tripas de otros mamíferos, masticando trozos de comida, sin causar daño o incluso generando beneficios para sus anfitriones.

    Pero las imágenes grotescas de E. coli Las infecciones cuentan una historia diferente: después de ingerir alimentos contaminados con cepas patógenas, las personas pueden experimentar vómitos, diarrea y disentería. Y en casos raros, la bacteria puede provocar insuficiencia renal e incluso la muerte.

    Ken Campellone, profesor asistente de biología celular y molecular en la Facultad de Artes y Ciencias Liberales, quiere comprender cómo estas bacterias pueden desempeñar papeles tan diferentes. Centrándose en las interacciones entre uno de los más mortíferos E. coli cepas y las células del intestino humano, está aprendiendo no solo cómo funcionan las bacterias, sino también cómo funcionan nuestras propias células.

    Recientemente, Campellone descubrió una proteína particular en las células del intestino grueso humano que es absorbida por E. coli células y ayuda a unir la bacteria a la pared intestinal.

    “Los patógenos han encontrado formas realmente inteligentes de hacerse cargo de los procesos normales de nuestras células”, dice. "A menudo, ellos saben más sobre nuestras propias células que nosotros, y es realmente intrigante".

    La cepa de E. coli que los estudios de Campellone pertenecen a un grupo de bacterias llamadas enterohemorrágicas E. coli, o EHEC, que a menudo es noticia internacional cuando las personas comen carne o verduras contaminadas. En 2011, un brote de una cepa hemorrágica en Alemania infectó a más de 3.700 personas y mató a 45. Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades estiman que cada año ocurren alrededor de 75.000 infecciones en los Estados Unidos.

    La razón de este alto nivel de virulencia, dice Campellone, es una serie de adquisiciones genéticas de las bacterias dañinas. Los científicos han secuenciado varios tipos de E. coli, y han encontrado más de 1,000 genes en el grupo dañino que no están presentes en el grupo inofensivo o comensal.

    Pero, agrega, de los aproximadamente 1.000 genes que se han identificado como patógenos, relativamente pocos se han caracterizado.

    "Sabemos muy poco acerca de los genes en EHEC que son diferentes de la versión comensal", dice. "Mi objetivo es comprender mejor cómo un grupo de genes que codifican proteínas llamadas efectores se apoderan de sus objetivos celulares humanos".

    En particular, los tipos más peligrosos han adquirido los genes para producir una sustancia venenosa llamada toxina Shiga, que según Campellone puede producir una enfermedad que va desde desagradable hasta potencialmente mortal.

    "Si la toxina simplemente se libera en los intestinos, podría tener diarrea y disentería", dice. "Pero si ingresa al torrente sanguíneo, puede causar un daño renal grave y volverse fatal". Además, agrega, actualmente no se conocen medicamentos para el síndrome de envenenamiento de la sangre y los antibióticos solo empeoran los síntomas. Los pacientes solo tienen que esperar y tener esperanza.

    La investigación de Campellone se centra en cómo el tráfico y la organización de proteínas controlan la forma de las células. Cuando E. coli se adhieren a la pared intestinal, alteran su organización normal. Lo hacen mediante la entrega de proteínas bacterianas a la célula, que a su vez reclutan proteínas celulares intestinales específicas que normalmente dan forma a la célula.

    Una imagen de microscopio electrónico de barrido del & # 039pedestal & # 039 formado por E. coli dañina en el intestino grueso humano. (Foto de Ken Campellone / UConn)

    En 2004, Campellone fue el primero en identificar una proteína que el E. coli se inyecta en las células intestinales, provocando la producción de una protuberancia carnosa que separa las bacterias adheridas de la pared. Los científicos llaman a este bulto un "pedestal", porque realmente se parece a uno, pero todavía no están seguros de cuál es su propósito.

    Campellone también descubrió recientemente una proteína en las células intestinales humanas que interactúa con la proteína bacteriana para ayudar a crear el pedestal. Publicó estos resultados en la edición de junio de 2012 de La revista de química biológica.

    El descubrimiento es significativo porque si se desarrolló un fármaco que pudiera bloquear la producción del pedestal, entonces el E. coli podría no adherirse a la pared intestinal, explica. En ese caso, las bacterias podrían simplemente lavarse a través del sistema de una persona, causando poco daño.

    En el aula y en su laboratorio, Campellone dice que estos ejemplos de su investigación les dan a sus estudiantes ejemplos de la vida real de la información que aprenden sobre la estructura celular.

    “Cuando enseñamos biología celular, mostramos a los estudiantes que mucho de lo que sabemos sobre cómo funcionan normalmente las células humanas proviene del estudio de las infecciones”, dice, señalando que muchas proteínas celulares solo se han descubierto en el contexto de patógenos que intentan explotar ellos.

    “Poder hacer preguntas científicas de forma experimental en el laboratorio y luego obtener una respuesta que podría beneficiar a las personas, esa es la parte más emocionante para los estudiantes y para mí”, dice. "Puedes ser la primera persona en el mundo en saber algo".


    Bacterias y E. Coli en agua

    El agua, como todo lo demás en la Tierra, incluyéndote a ti, está llena de bacterias. Algunas bacterias son beneficiosas y otras no. Escherichia coli (E. coli) las bacterias, que se encuentran en el tracto digestivo de los animales, pueden penetrar en el medio ambiente y, si las personas las contactan, pueden causar problemas de salud y enfermedades. Descubra los detalles aquí.

    Bacterias y E. coli en agua

    Escherichia coli o E. coli es un tipo de bacteria coliforme fecal que se encuentra comúnmente en los intestinos de animales y humanos. E. coli en el agua es un fuerte indicador de contaminación de aguas residuales o desechos animales. Las aguas residuales y los desechos animales pueden contener muchos tipos de organismos que causan enfermedades. El consumo puede provocar enfermedades graves en los niños menores de cinco años, aquellos con sistemas inmunitarios comprometidos y los ancianos son particularmente susceptibles.

    Las bacterias son organismos unicelulares comunes y son un componente natural de lagos, ríos y arroyos. La mayoría de estas bacterias son inofensivas para los humanos; sin embargo, ciertas bacterias, algunas de las cuales normalmente habitan en el tracto intestinal de los animales de sangre caliente, tienen el potencial de causar enfermedades en los humanos. Un alto número de estas bacterias inofensivas a menudo indica un gran número de bacterias dañinas, así como de otros organismos que causan enfermedades, como virus y protozoos.

    Un método para determinar los recuentos de bacterias es contar el número de colonias de bacterias que crecen en un medio preparado.

    Escherichia coli (abreviado como E. coli) son bacterias que se encuentran en el medio ambiente, los alimentos y los intestinos de personas y animales. E. coli son un grupo grande y diverso de bacterias. Aunque la mayoría de las cepas de E. coli son inofensivos, otros pueden enfermarlo. Algunos tipos de E. coli pueden causar diarrea, mientras que otros causan infecciones del tracto urinario, enfermedades respiratorias y neumonía, y otras enfermedades.

    Coliformes totales

    Los coliformes totales son bacilos gramnegativos, aeróbicos o anaeróbicos faculativos que no forman esporas. Originalmente se creía que estas bacterias indicaban la presencia de contaminación fecal, sin embargo, se ha encontrado que los coliformes totales están ampliamente distribuidos en la naturaleza y no siempre están asociados con el tracto gastrointestinal de los animales de sangre caliente. La cantidad de bacterias coliformes totales en el medio ambiente todavía se usa ampliamente como indicador del agua potable en los EE. UU.

    Coliforme fecal

    Las bacterias coliformes fecales son un subgrupo de bacterias coliformes que se utilizaron para establecer los primeros criterios microbianos de calidad del agua. La capacidad de crecer a una temperatura elevada (44,5 grados Celsius) separa esta bacteria de los coliformes totales y la convierte en un indicador más preciso de la contaminación fecal por animales de sangre caliente. Las bacterias coliformes fecales se detectan contando las colonias de color azul oscuro a gris azulado que crecen en filtros de 0,65 micrones colocados en agar mFC incubados en un horno a 44,5º C durante 22-24 horas. La presencia de coliformes fecales en el agua indica que ha ocurrido contaminación fecal del agua por un animal de sangre caliente; sin embargo, estudios recientes no han encontrado una relación estadística entre las concentraciones de coliformes fecales y la enfermedad asociada a los nadadores.

    Escherichia coli (E. coli) es una bacteria en forma de bastón que se encuentra comúnmente en el tracto gastrointestinal y en las heces de animales de sangre caliente. Es un miembro del grupo de bacterias coliformes fecales y se distingue por su incapacidad para degradar la ureasa. E. coli los números en agua dulce se determinan contando el número de colonias amarillas y marrón amarillentas que crecen en un filtro de 0.45 micrones colocado en medio m-TEC e incubado a 35.0 ° C durante 22-24 horas. La adición de sustrato de urea confirma que las colonias son E. coli. Esta bacteria es un indicador preferido para la recreación de agua dulce y su presencia proporciona evidencia directa de contaminación fecal de animales de sangre caliente. Aunque suele ser inofensivo, E. coli puede causar enfermedades como meningitis, septicemia, tracto urinario e infecciones intestinales. Una cepa recientemente descubierta de E. coli (E. coli 0157: H7) puede causar una enfermedad grave y puede ser mortal en niños pequeños y ancianos.

    La relación entre el recuento de bacterias y la enfermedad.

    El consumo o el contacto con agua contaminada con heces de animales de sangre caliente puede causar una variedad de enfermedades. Las molestias gastrointestinales leves son probablemente el síntoma más común; sin embargo, los patógenos que pueden causar solo enfermedades leves en algunas personas pueden causar afecciones graves o la muerte en otras, especialmente en los muy jóvenes, los ancianos o aquellos con sistemas inmunológicos debilitados.


    E. coli

    Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

    E. coli, (Escherichia coli), especie de bacteria que habitualmente habita en el estómago y los intestinos. Cuando E. coli se consume en agua, leche o alimentos contaminados o se transmite a través de la picadura de una mosca u otro insecto, puede causar enfermedades gastrointestinales. Las mutaciones pueden provocar cepas que causan diarrea al liberar toxinas, invadir el revestimiento intestinal o adherirse a la pared intestinal. La terapia para las enfermedades gastrointestinales consiste principalmente en la reposición de líquidos, aunque en algunos casos los medicamentos específicos son efectivos. La enfermedad suele ser autolimitada, sin evidencia de efectos duraderos. Sin embargo, cepas peligrosas, como E. coli O157: H7 y E. coli O104: H4, puede causar diarrea con sangre, insuficiencia renal y la muerte en casos extremos. La cocción adecuada de la carne y el lavado de los productos agrícolas pueden prevenir la infección por fuentes de alimentos contaminados. E. coli también puede causar infecciones del tracto urinario en las mujeres.


    Más de 60 términos y definiciones de biología de HSC:

    Herencia

    Término Definición Ejemplo y conceptos relacionados
    Reproducción sexualLa información genética proviene de dos sexos y los gametos deben reunirse y fusionarsePara los humanos, el óvulo y el espermatozoide se encontrarán. Para las flores, el óvulo y el polen se encontrarán.
    Reproducción asexualNo requiere un óvulo y un espermatozoide (gametos) para encontrarse y, por lo general, proviene de un organismo. Las bacterias pueden separarse de una sola célula en un proceso llamado fisión binaria.
    GametoLos gametos son células que pueden dar lugar a un nuevo organismo cuando se encuentran con un gameto del sexo opuesto.Los gametos suelen tener cromosomas haploides (la mitad del número de cromosomas en un adulto).
    Fertilización externaEl óvulo y el esperma se encuentran fuera del cuerpo femenino.Fish and frogs can release their eggs and sperm outside their body. Water assists in keeping them moist.
    Internal fertilisationEgg and sperm meet inside the female bodySeen in humans, dogs and cats
    Fisión binariaType of asexual reproduction where bacteria ‘split’ in half, each half becomes a new daughter cellWhen comparing the life cycle between prokaryotes and eukaryotes, there are similarities that can be drawn. Both replicate their DNA, and both increase the size of the cell to create two daughter cells except this occurs in the organism level for bacteria, and the cell level for humans.
    En ciernesType of yeast asexual reproduction where cells grow bigger until a little ‘bud’ forms on the mother cell. This bud grows bigger until it is big enough to break off. Great demonstration of budding is the immortal hydra
    MitosisCell division where daughter cells have the same number of chromosomes Human somatic cells replicate by mitosis. The new daughter cells are identical to the mother cell.
    MitosisThe process by which cells are replicated but it is different from mitosis because 1 parent cell gives rise to 4 daughter cells, which are different because of crossing overHaploid gametes are produced from meiosis. It is important that the daughter cells aren’t identical to the mother cells.
    Replicación de ADNMaking new copies of DNA so new cells can have a copy DNA replication is a semi-conservative process which means that the two new DNA molecules that are made contains one strand of the original DNA
    TranscripciónThe process of copying information encoded in DNA into a ‘photocopy’ or RNA so the ribosome can read itDNA is hard to read because it is so long and the structure is different. mRNA is a direct copy of the sequences in DNA, making it easier to use the information encoded in the genome
    TraducciónRibosome ‘reading’ the mRNA which tells it to recruit certain amino acids. Results in a polypeptide chaintRNAs carry amino acids to the growing polypeptide chain
    PolipéptidosPolypeptides are short proteins made up of chains of amino acidsPolypeptides are usually smaller than proteins but larger than peptides and amino acids
    CromosomaA chromosome is a package of DNA, which is a long DNA molecule that is coiled tightly for easy storage and movementHumans have 46 chromosomes (26 pairs)
    GeneA gene codes for a particular characteristic. A gene is a section of our DNA moleculeThe gene for eye colour
    AleloAllele is a form of a gene. For each gene, we have two alleles - one from mum and one from dadA blue eye allele and a brown eye allele
    FenotipoThis is the physical characteristic of a genotypeBrown eyes are coded for by genotype ‘Aa’
    GenotipoA genotype is the genetic code for a characteristicAutomóvil club británico
    Homozygous genotypesGenotypes where the two alleles are the sameAA or aa
    Heterozygous genotypesGenotypes where the two alleles are differentAa or Bb
    Simple dominanceWhere one allele is completely dominant over the other (the recessive allele)Where greenness is dominant over yellowness (of Mendel’s peas)
    Monohybrid crossA Medelian cross where the two individuals have the same genotypeCross of AA and AA or Aa and Aa
    Co-dominanciaWhere two or more alleles have equal dominance (which gives rise to a third outcome)Snapdragons experiment, where a red one and a white one will cross to form a pink one. Red and white are co-dominant.
    Sex-linked genesA common genetic variation that occurs in >1% of the population >1% of people have a C T nucleotide mutation in a specific part of their DNA
    Single nucleotide polymorphism (SNP)A common genetic variation that occurs in >1% of the population >1% of people have a C T nucleotide mutation in a specific part of their DNA
    secuencia ADNFinding out what the sequence of DNA isIllumina technology is commonly used at and can find the sequence (CTTAGACCGA…) of almost all of the 3 billion base pairs that you have

    Genetic Change

    Término
    DefiniciónExample and related concepts
    MutagenAnything causing mutationsCigarette smoke
    MutaciónA change in DNA sequencePoint mutations are one nucleotide differences in a gene (CTAGTA CTTGTA)
    Genetic flow/gene mutationIntroducing genes of one population into another by breeding between two populationsA bee carrying the pollen from one population of flowers to another can be considered genetic flow
    Diversidad geneticaVariation in a genetic pool for a particular characteristicGenetic diversity is the reason why some people have black hair, others have brown hair, and others still can have blonde or red hair.
    BiotecnologíaUsing biology for industryWe can use massive cultures of bacteria to make drugs at the industrial scale
    Inseminación artificialTaking semen from a male animal and inserting it into a female uterus Farmers pick which cows mate to ensure that the cow with the best characteristics mate and to prevent inbreeding
    Artificial pollinationTaking pollen or stamen from one plant into the pistil of anotherThe characteristics of flowers can be mixed
    ClonaciónCreating a genetically identical copy of an organism Whole organism cloning of dolly the sheep
    Transgenic organismsSpecies which are the result of genetic modification'Anti-freeze strawberries’

    Infectious Disease

    TérminoDefiniciónExample and related concepts
    PatógenoA foreign body that can cause diseaseChickenpox
    AntigenMolecules made of protein which are on the surface of cells that trigger the immune response when they detect infectious pathogensThe Rhesus antigen causes our blood type to be + or -
    AntibodyMade by plasma cells which specifically target a pathogen by binding to it Starts getting released after the innate immune system can’t defeat the infection
    EpidemiaAn infectious disease spreading across a wide rangeAIDS epidemic
    Innate immune systemMade up of neutrophils, macrophages and other cells to attack any non-specific response Any bacteria or virus entering gets attacked by the same molecules. P.ej. regardless if it is S. aureus o E. coli, they get attacked by cytokines and other molecules
    Adaptive immune systemMade up of T cells and B cells and attack a specific pathogen T cells and B cells prepare chemicals and molecules to specifically attack either S. aureus o E. coli
    Cytokines Proteins that immune cells use to communicate with each other Cells can release growth factors (GFs), interferons (IFs) and interleukins (ILs)
    Cell differentiationHow cells become specialised for their different functions. They all start off exactly the sameWhite blood cells specialise from stem cells
    QuarantineIsolation after coming from another country to make sure they don’t spread potential diseasesWaiting to see if plants/animals have introduced infectious diseases prevents introducing the disease to an unimmune public
    Passive immunityInjection of someone else’s antibodies If you wait for your body to respond to neutralise snake bites, it’ll be too late. We use another animals’ antibodies and inject it into the affected person. These antibodies will act to neutralise the bite without needing an immune reaction
    Active immunityMaking your own antibodies After a vaccine, your body responds by making antibodies against the infectious agent

    Non-Infectious Disease and Disorders

    TérminoDefiniciónExample and related concepts
    HomeostasisA process involving feedback networks (positive and negative) that means that organisms (like humans) can adapt to changes in their environmentWhen it is warm, mammals have mechanisms like sweating which allow us to adapt to the environment. If we did not have these mechanisms, our enzymes would denature!
    EnzimasA protein that is responsible for lowering the activation energy of a reaction, making it occur fasterBromalain is an enzyme found in pineapple and kiwi fruit.
    Lock and key model of substrate specificity for enzymes.
    Enzymes will become denatured if the temperature or pH changes outside of its optimal range.
    SubstratesMolecules part of a chemical reaction which react together to form the productsSubstrates are the molecules which go into enzymes
    ÓptimoBest for efficiency of a reactionOptimal temperature of most human chemical reactions and their enzymes is around 37 degrees Celsius (this is our human body temperature is around this range)
    Endotherm organismsOrganisms which control their own body temperature, independently of the outside environment‘Warm blooded’ animals, such as humans and other mammals
    EctothermOrganisms which do not control their own body temperature, and rely on the outside environment‘Cold blooded’ animals, such as lizards and other reptiles
    Adaptive advantage An advantage of a particular characteristic which helps the organism to adapt to the environment, according to the theory of evolution by natural selection An adaptive advantage for a frog living in a green forest is that it has green skin which allows it to camouflage, and thus survive and pass on its genetic characteristics to its offspring
    HormonasChemicals which are used to control organs in the bodyAnti-diuretic hormone (ADH) can tell the kidney to reabsorb more water, and so the need to urinate is decreased
    EnfermedadDisturbance in normal structure and function caused by something outside the bodyCan be caused by improper diet or radiation exposure
    TrastornoDisturbance in normal body structure and function caused by something inside the body Can be caused by genes, birth defects
    CáncerUncontrolled growth of cellsStomach cancer is when stomach cells keep dividing and don’t stop
    IncidenciaHow many new cases of this disease in x time?Estimated 14,320 new melanoma cases diagnosed in 2018
    PredominioHow many people have had this disease in x time? At the end of 2013, 53,215 people were living with melanoma
    MortalityNumber of deaths in a given time or location Skin cancer mortality in Australia is estimated to be 3.9% of all deaths in 2018
    Epidemiología The study of how a disease occurs and spreads and where it is most prevalentEpidemiology allows us to understand why a disease starts and spreads and how to tackle it
    Ingeniería genéticaChanging the characteristics of an organism by changing its genesMice that glow due to the insertion of a gene that makes fireflies glow

    Bacterial Variable Number Tandem Repeats

    Bacterial Genomes

    Bacterial genomes can represent highly dynamic entities where mutation and structural change can occur at high rates and generate high-frequency variants within populations. However, this is not uniform across genomes, as genomes are mosaics of gene-coding regions, intergenic spaces, and repeated elements that evolve at dramatically different rates. In some bacteria, the gene order and nucleotide sequences of the genomes are highly conserved and little variation is observed among different isolates, while in others there is great variation. This can be due, in part, to the evolutionary history of a particular bacterium (old, young, recently emerged pathogen, etc.), but the diversity is also a function of particular subgenomic components evolving at accelerated rates. The diversity of some gene-coding regions may be much lower and much less dynamic than in other non-gene-coding regions or hypermutable loci. Transposable elements and insertion sequence (IS) elements can be very active and mediate some of these genomic changes. Large or small chromosomal inversions frequently occur between inverted repeat sequences IS elements can generate inverted repeats and make excellent targets for homologous recombination. The focus of this article is a particular category of hypermutable loci called ‘variable number tandem repeats’ (VNTRs).


    Tinción de Gram

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    In this technique, bacteria are stained with crystal violet, and then exposed to a decolorizer followed by counterstaining using safranin dye. After this exposure, the bacteria that appear purple are the ones that have retained crystal violet in their cells in spite of exposure to a decolorizer. These are Gram-positive bacteria. On the other hand, the bacteria that appear pink are the ones that get decolorized and take up safranin dye. These are Gram-negative bacteria.


    DNA Replication in Prokaryotes Vs. Eucariotas

    Localización

    Procariotas do not have nucleus and other membrane-bound organelles, like mitochondria, endoplasmic reticulum, and golgi bodies. The prokaryotic DNA is present as a DNA-protein complex called nucleoid. The replication occurs in the cytoplasm of the cell.

    In case of eucariotas, the organisms that contain a membrane-bound nucleus, the DNA is sequestered inside the nucleus. Hence, the nucleus is the site for DNA replication in eukaryotes.

    Stage of Cell Division

    En procariotas, DNA replication is the first step of cell division, which is primarily through binary fission or budding.

    En eucariotas, cell division is a comparatively complex process, and DNA replication occurs during the synthesis (S) phase of the cell cycle.

    Iniciación

    DNA replication is initiated at a specific or unique sequence called the origin of replication, and ends at unique termination sites. The region of DNA between these two sites is termed as a replication unit or replicon.

    Prokaryotic DNA is organized into circular chromosomes, and some have additional circular DNA molecules called plasmids. The prokaryotic DNA molecules contain a single origin of replication and a single replicon. Moreover, these origin sites are generally longer than eukaryotic origin sites.

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    Eukaryotic DNA is comparatively very large, and is organized into linear chromosomes. Due to the high amount of material to be copied, it contains multiple origins of replication on each chromosome. DNA replication can independently initiate at each origin and terminate at the corresponding termination sites. Thus, each chromosome has several replicons, which enable faster DNA replication. The human genome that comprises about 3.2 billion base pairs gets replicated within an hour. If DNA replication was dependent on a single replicon, it would take a month’s time to finish replicating one chromosome.

    Direction of Replication

    Once initiated, DNA replication assembly proceeds along the DNA molecule, and the precise point at which replication is occurring is termed as the replication fork. Generally, in both prokaryotes and eukaryotes, the process of DNA replication proceeds in two opposite directions, from the origin of replication.

    However, in certain plasmids present in bacterial cells, unidirectional DNA replication has been observed. These plasmids replicate through the rolling circle model, wherein multiple linear copies of the circular DNA are synthesized and then circularized.

    Enzimas

    Although a similar set of enzymes are involved in prokaryotic and eukaryotic DNA replication, the latter one is more complex and varied. The initiator proteins, single-stranded DNA-binding protein (SSB), primase, DNA helicase, and DNA ligase are present in both prokaryotes and eukaryotes.

    Enzymes specific to prokaryotes:

    Enzima Actividad
    ADN polimerasa I 5′ to 3′ polymerase, 3′ to 5′ exonuclease, 5′ to 3′ exonuclease
    ADN polimerasa III 5′ to 3′ polymerase, 3′ to 5′ exonuclease

    Enzymes specific to eukaryotes:

    Enzima Actividad
    DNA polymerase α 5′ to 3′ polymerase
    DNA polymerase δ 5′ to 3′ polymerase, 3′ to 5′ exonuclease
    DNA polymerase ε 5′ to 3′ polymerase

    In addition, eukaryotes contain DNA polymerase γ, which is involved in mitochondrial DNA replication. Also, the topoisomerases, enzymes that regulate the winding and unwinding of DNA during the movement of replication fork, differ in their activity. Prokaryotes, generally use type II topoisomerase called DNA gyrase, that introduces a nick in both the DNA strands. On the contrary, most eukaryotes utilize type I topoisomerases, that cut a single strand of DNA, during the movement of the replication fork.

    Fragmentos de Okazaki

    During DNA replication, the synthesis of one strand occurs in a continuous manner, whereas that of the other strand occurs in a discontinuous manner through the formation of fragments. The former strand is termed as the leading strand, the latter as the lagging strand, and the intermediate fragments are termed as the Okazaki fragments. The reason for such a difference is the antiparallel nature of DNA strands, as against the unidirectional activity of the DNA polymerase.

    Procariota Okazaki fragments are longer, with the typical length observed in Escherichia coli (E. coli) being about 1000 to 2000 nucleotides.

    The length of eucariota Okazaki fragments ranges between 100 and 200 nucleotides. Although comparatively shorter, they are produced at a rate slower than that observed in prokaryotes.

    Terminación

    The termination of DNA replication occurs at specific termination sites in both prokaryotes and eukaryotes.

    En procariotas, a single termination site is present midway between the circular chromosome. The two replication forks meet at this site, thus, halting the replication process.

    En eucariotas, the linear DNA molecules have several termination sites along the chromosome, corresponding to each origin of replication. However, the eukaryotic DNA replication is characterized by a unique end-replication problem, wherein a part of DNA present at the ends of the chromosome does not get replicated. So, the lagging strand is shorter than the leading strand. This problem is addressed in eukaryotes by the presence of non-coding, repetitive DNA sequence called telomeres, at the ends of chromosomes.

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Comentarios:

  1. Kilrajas

    la pregunta esta lejos

  2. Truesdell

    Absolutamente de acuerdo contigo. En esto es, parece que esta es la buena idea. Estoy de acuerdo contigo.

  3. Avenelle

    No estoy de acuerdo con lo que está escrito en tu primer párrafo. De dónde obtuviste esta información?

  4. Rankin

    Estás cometiendo un error. Puedo defender mi posición.

  5. Kigall

    Es agradable, este pensamiento tiene que ser precisamente a propósito.

  6. JoJorr

    Tu oración simplemente excelente

  7. Jarell

    Y eso como resultado ..

  8. Bohdan

    Valiente, la excelente respuesta.



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