В кишечную палочку записали

Биохимики предложили новый метод записи информации на естественные молекулы ДНК, в котором кодирование происходит за счет положения места одноцепочечного разрыва. Запись информации в такую ячейку память застрахована от ошибок при кодировании и происходит гораздо быстрее, чем синтетическое кодирование нуклеотидами, однако пока что новый способ проигрывает в плотности записи. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Впервые идею о хранении цифровой информации в молекуле ДНК затронул в 1959 году американский физик Ричард Фейнман в своей лекции под названием «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики». Хранение информации на молекулах ДНК интересно за счет своей колоссальной информационной емкости — в прошлом году ученые записали 16 гигабайт текста английской версии Википедии в одной молекуле ДНК. Кодирование в таких системах происходит за счет синтеза молекулы из определенной последовательности нуклеотидов: аденина, тимина, цитозина и гуанина. Однако у этого подхода есть много ограничений и неудобств. За один цикл к молекуле ДНК добавляется только один нуклеотид, а потому процесс протекает значительное время и требует больших затрат относительно распространенных оптических и магнитных средств записи. Более того сам синтез подвержен ошибкам и даже при оптимальном процессе количество ошибок может достигать 21 процента.

Ольгица Миленкович (Olgica Milenkovic) со своими коллегами предложила новый способ записи информации на молекулы ДНК, полученные из живых организмов, основанный на одноцепочечном разрыве молекулы ДНК с помощью фермента. Ученые таким образом записали и считали информацию на ДНК бактерии кишечной палочки (Escherichia coli) Геттисбергскую речь Линкольна (0,4 килобайта) и фотографию мемориала Линкольна (14 килобайт).

Известные разрывные ферменты — никазы — способны распознавать и связывать только определенные последовательности в цепи ДНК, которые сильно ограничены их окружением. Например, разрывные эндонуклеазы признают только специфические последовательности длиной в шесть пар нуклеотидов, что ограничивает их использование для масштабной записи. Никаза SpCas9n пиогенного стрептококка (Streptococcus pyogenes) часто используется в генной инженерии, но для ее работы требуется два гуанина в цепи подряд, что ограничивает емкость в 16 раз. В качестве такого фермента биофизики предложили использовать фермент пирококка (Pyrococcus furiosus) PfAgo — высокоточный искусственный ограничительный фермент с возможностью расщепления на произвольных частях цепи ДНК. Этот фермент за время своего действия способен совершить сотни разрывов в отличие от SpCas9n и ранее уже использовался для сборки генома и распознавании цепи ДНК.

В качестве основы для записи ученые выделили ДНК бактерии кишечной палочки штамма K12 MG1655. При выборе длины цепочки в 450 пар азотистых оснований они руководствовались двумя ограничениями: не менее десяти позиций обрыва с промежутками не менее 25 нуклеотидов и отсутствие диссоциации между участками обрыва.

Для проверки качества записи биофизики закодировали Геттисбергскую речь Авраама Линкольна и фотографию мемориала Линкольна в двоичную последовательность из десятибитовых строк, в которой единица — наличие разрыва, а ноль — его отсутствие в возможном месте разрыва. Затем полученные строки переводили в позиционную систему для сжатия информации вдвое. Чтобы достичь быстрой и эффективной записи данных ученые для каждого регистра создавали библиотеку возможных направляющих фрагментов ДНК для фермента автоматизированной комбинацией вариантов.

Биофизики для хранения информации поместили регистры в сеть микропланшетов, которые обеспечивают произвольный доступ к регистрам и организуют доступ к данным, аналогично дорожкам на CD-дисках и магнитных лентах. Однако авторы признают, что такой метод хранения не годится для масштабируемого производства, тем не менее они надеются на разработку масштабируемых систем позиционного хранения данных с использованием МАЛДИ-пластин или микрофлюидных устройств. Чтобы своими силами улучшить емкостную способность позиционного хранения ученые предложили три варианта улучшения: использование в одной ячейке нескольких регистров, в которых крайне мало пересечение в последовательностях, введение специфичного разрыва в зависимости от цепи — увеличение емкости одного разрыва на 58 процентов, комбинаторное смешивание молекул одного регистра по специальным схемам.

Для считывания информации биофизики подвергали цепь ДНК денатурации и получали одноцепочечные молекулы ДНК с разной длиной в зависимости от положения разрыва. Эти последовательности они сравнивали с известной последовательностью регистра и выстраивали цепочку, определяли возможные позиции разрывов и присваивали ноль, если разрыв в этом потенциальном месте отсутствовал. В качестве неразрушающего метода считывания информации авторы рассмотрели два варианта: внедрение в разрыв флуоресцентного гена или прохождение молекулы ДНК сквозь двумерную нанопористую мембрану дисульфида молибдена — на зависимости ионного тока от времени отчетливо заметно положение одноцепочечного разрыва. А для подтверждения своей гипотезы они смоделировали прохождение молекулы ДНК через нанопору.

ДНК уже несколько лет используется в качестве экзотического средства записи. Два года назад группа Massive Attack к 20-летнему юбилею своего альбома «Mezzanine» записала его в ДНК.

Артем Моськин

Кишечная палочка считается одним из самых распространенных бактерий. Область ее обитания – кишечник человека и некоторых животных. Считается, что после попадания в окружающую среду (бактерия выводится из организма вместе с каловыми массами), она может в течение длительного периода сохранять свою жизнеспособность даже под воздействием внешних факторов.

Бактерии рода кишечной палочки могут быть как безопасными для организма человека, так и патогенными, способными привести к развитию многочисленных заболеваний. Для этих патологий характерны свои ярко выраженные симптомы. При их появлении человеку необходимо срочно обратиться в медицинское учреждение, иначе недуг, вызванный возбудителем, может привести к развитию серьезных осложнений, жизненно-опасных для человека.

Характеристика микроорганизма

Кишечная палочка представляет собой бактерию рода Escherichia из семейства Enterobacteriaceae. Данный микроорганизм активно размножается в человеческом организме, в частности, в различных отделах кишечника. Попадая вместе с каловыми массами в окружающую среду, бактерия может на протяжении нескольких месяцев сохранять свою жизнеспособность. Активная микрофлора содержится в воде, почве, кале, а также в некоторых продуктах питания (особенно, в молоке, мясе).

Кишечную палочку принято разделять на непатогенную и патогенную. Представители нормальном микрофлоры, обитающие в кишечнике, оказывают ряд полезных для организма действий. Прежде всего, данные микроорганизмы нормализуют кишечную микрофлору, подавляя рост вредных бактерий. Кроме того, они синтезируют витамин К, необходимый для поддержания нормального процесса свертываемости крови и выполнения других важных функций в организме.

Некоторые из представителей данного вида способны выделять ферменты, расщепляющие лактозу. Однако, безопасными данные бактерии остаются лишь тогда, когда они находятся в полости кишечника. При проникновении в другие органы, непатогенная микрофлора может спровоцировать развитие воспаления.

Классификация и виды бактерий

Бактерии группы кишечной палочки могут быть безопасными и патогенными. В свою очередь, непатогенная микрофлора может быть лактозопозитивными (в большинстве случаев), то есть способными расщеплять лактозу, либо лактозонегативными, не имеющими такой способности.

Патогенные микроорганизмы принято разделять на следующие виды:

1. Энтерогеморрагическая кишечная палочка – группа бактерий, приводящая к развитию диареи и кишечных кровотечений;
2. Энтеропатогенная – бактерии данного вида негативно воздействуют на эпителиальный слой кишечника, разрушая его ворсинки. Результатом такого воздействия становится продолжительное нарушение стула и метаболических процессов;
3. Энтероинвазивная – микроорганизмы внедряются в ткани кишечных стенок, что приводит к развитию выраженного очага воспаления.

Причины и пути передачи

Необходимо понимать, какие причины способствуют проникновению патогенной кишечной палочки в организм и ее активизации (размножению) в кишечнике. К числу таких причин относят:

1. Нарушение микрофлоры кишечника, в частности, массовая гибель полезных микроорганизмов в результате заболеваний ЖКТ;
2. Патологии поджелудочной железы;
3. Воспаления в кишечнике;
4. Длительное употребление антибактериальных препаратов (несмотря на то, что данная лекарственная группа предназначена именно для борьбы с патогенной микрофлорой, бесконтрольный прием антибиотиков может привести к обратной ситуации: бактерии приспосабливаются к действию лекарства и теряют чувствительность к его активным веществам. В результате этого происходит усиленный рост численности вредной микрофлоры);
5. Несоблюдение правил личной гигиены;
6. Употребление зараженных продуктов питания и воды.

Пути передачи

Кишечная палочка, относящаяся к патогенному виду, попадает в организм человека различными способами:

1. Через продукты питания. Например, если человек употребляет сырое молоко, мясо, не прошедшее должную термическую обработку, сырое молоко;
2. Контактно – бытовой способ, например, при контакте с больным человеком (через немытые руки), при использовании зараженных вещей и предметов обихода;
3. Родовой способ, когда бактерия передается новорожденному от больной матери;
4. Половой. Во время полового акта кишечная палочка также может проникнуть в организм, хотя происходит это довольно редко.

Характерные симптомы

При активном развитии патогенной кишечной палочки в организме человека, появляются специфические симптомы, такие как потеря аппетита, диарея, тошнота и рвота, болезненные ощущения в различных отделах живота. При этом меняется структура, цвет и запах каловых масс. Кал становится более жидким, водянистым, может приобретать слизистую консистенцию. Цвет его становится более светлым, возможно появление в каловых массах кровянистых прожилок. Кал приобретает более резкий и неприятный запах.

У больного наблюдается обильное отхождение рвотных масс. При этом рвота приобретает специфический зеленый оттенок и резкий запах. У пациента отмечается выраженная слабость, отсутствие работоспособности, головокружения. В тяжелых случаях развивается нарушение жидкостного баланса организма со всеми характерными для данного состояния симптомами (бледность, сухость эпидермиса и наружных слизистых оболочек, слабость, постоянная жажда).

Стадии и проявления

Клинические признаки развития опасных заболеваний, возбудителем которых является кишечная палочка патогенного типа, зависят от давности проникновения болезнетворной микрофлоры в кишечник, а также от количества бактерий и продуктов жизнедеятельности, выделяемых ими. В соответствии с этими параметрами, выделяют 3 стадии развития патологического процесса. Для каждой из них характерен свой набор признаков.

Осложнения и заболевания

Патогенная форма кишечной палочки может приводить к развитию весьма неприятных последствий, заболеваний, значительно нарушающих самочувствие человека, несущих реальную угрозу для его здоровья. У женщин кишечная палочка, проникающая в область уретры или влагалища, может привести к таким патологиям как кольпит, уретрит. Частыми заболеваниями, возникающими у представительниц прекрасного пола, являются цистит, эндометрит, пиелонефрит, аднексит. Также возникают различные неприятные симптомы, такие как сильный и болезненный зуд во влагалище, творожистые, резко пахнущие выделения из половых органов.

У мужчин развиваются такие патологии как обильная диарея, токсическое поражение организма, сопровождающееся рвотой, ухудшением общего состояния. Возможно развитие следующих заболеваний: простатит, орхит, эпидидимит, пиелонефрит, воспаление тканей мочевого пузыря и нарушение его функциональности (анурия, энурез).

Особенно опасной патогенная кишечная палочка считается для детей. У зараженного ребенка наблюдается значительная гипертермия, сильный и зловонный понос, потеря аппетита и массы тела, признаки обезвоживания, истощения. Нарушается работа иммунной системы. Появляются области нагноения, которые могут привести к токсическому заражению крови и внутренних органов.

Методы диагностики

Для того, чтобы назначить подходящее лечение, необходимо поставить точный диагноз. Для этого используют различные диагностические мероприятия. Прежде всего, врач проводит беседу с пациентом, устанавливает совокупность симптомов и жалоб, беспокоящих больного, длительность и обстоятельства их появления. После этого больному назначают различные лабораторные и инструментальные обследования.

Инструментальные способы диагностики необходимы для того, чтобы выявить поражения кишечника и других органов (почки, желчный пузырь). Использование таких методов необходимо не всегда, а только в том случае, если имеются симптомы соответствующих заболеваний.

Анализы и лабораторная диагностика

Для выявления патологического процесса большое значение имеют именно лабораторные методы исследования, позволяющие не только выявить нарушения микрофлоры, но и определить конкретного возбудителя инфекции, оценить степень его чувствительности к тем или иным антибактериальным веществам. Это необходимо для выбора подходящей схемы лечения.

1. Анализ крови на кишечную палочку. В норме данный микроорганизм в крови не содержится. Если же бактерию обнаруживают, это говорит о том, что здоровье и жизнь человека находятся в опасности, ведь проникновение возбудителя в кровоток может спровоцировать развитие сепсиса (заражения крови) – жизненно-опасного состояния, способного привести к летальному исходу.
2. Исследование мочи. Обнаружение возбудителя в моче говорит о заражении органов мочевыделительной системы и необходимости срочной антибактериальной терапии. О стадии развития заражения судят по количеству бактерий, имеющимся признакам;
3. Мазок из влагалища. В норме кишечная палочка в мазке отсутствует. Если же она обнаружена, это свидетельствует о заражении органов репродуктивной системы;
4. Исследование кала. При развитии кишечной палочки данные микроорганизмы в большом количестве присутствуют в каловых массах (в норме содержание этих микроорганизмов допускается, но в значительно меньшем количестве). После того, как возбудитель обнаружен, выполняется процедура бактериального посева. То есть бактерию помещают в особую среду, после чего оценивают дальнейшее ее развитие и размножение. Это позволяет определить тип микроорганизма, его чувствительность к различным видам антибиотиков.

Методы терапии

Лечение патологий, вызванных кишечной палочкой, включает в себя следующие моменты:

1. Медикаментозная терапия и прием витаминов для восстановления иммунитета;
2. Использование средств – пробиотиков для нормализации кишечной микрофлоры и устранения дисбактериоза;
3. Соблюдение особого режима питания.

Медикаментозное лечение предполагает использование лекарственных средств различных групп. Это, прежде всего антибиотики, препараты для устранения воспалений в мочевыводящих органах, органах половой системы, средства, предотвращающие развитие обезвоживания, препараты, восстанавливающие здоровую микрофлору в кишечнике, витаминные препараты для укрепления иммунной системы.

Диета предполагает употребление большого количества кисломолочных продуктов, обогащенных полезными бактериями, овощей и фруктов, нормализующих процесс пищеварения, травяных отваров, обладающих противовоспалительным действием. Запрещено употребление блюд, тяжелых для переваривания и продвижения по пищеварительному тракту. Это жирные и жареные блюда, острые, соленые, сладкие продукты, газированная вода, полуфабрикаты, консервы и колбасные изделия, а также же продукты, вызывающие чувство дискомфорта у конкретного человека.

Лекарственные средства