В недавнем исследовании, опубликованном в Интернете в Journal of Bacteriology, профессор биохимии Майкл Кокс и его команда описывают взрыв E. coli с ионизирующим излучением один раз в неделю, в результате чего бактерии становятся устойчивыми к радиации. При этом они обнаружили генетические мутации и механизмы, лежащие в основе этой устойчивости.
Результаты раскрывают способы возможной разработки радиационно-устойчивых бактерий для использования в различных целях в будущем, включая очистку окружающей среды и защиту полезных кишечных микробов во время лучевой терапии рака.
Лаборатория Кокса давно интересовалась репарацией ДНК, клеточным процессом, с помощью которого все организмы могут собирать вместе кусочки ДНК, которые разрушаются такими стрессами, как ионизирующее излучение.
Этот тип излучения имеет высокую энергию по своей природе и связан с ядерным излучением и такими элементами, как уран и плутоний. Космонавты также подвергаются этой форме излучения в космосе.
Он встречается в более низких дозах в некоторых методах лечения рака и в некоторых медицинских изображениях, таких как рентгеновские лучи.
Некоторые организмы, в основном бактерии, обладают естественной устойчивостью к высоким уровням ионизирующего излучения.
Однако многие из них, как известно, трудны для изучения, и о них мало что известно, особенно по сравнению с E. кишечная палочка. Это побудило команду Кокса обратиться к другому способу изучения радиационно-устойчивых бактерий – создать свои собственные.
Их эксперимент по "направленной" эволюции прост. Ведущий автор и постдокторский исследователь Стивен Брукбауэр разделил популяцию E. coli на четыре группы.
Раз в неделю он и команда студентов-исследователей используют оборудование в Департаменте медицинской физики, чтобы поражать каждую популяцию ионизирующим излучением, пока 99 процентов клеток не погибнут. Затем они выращивают выживших – один процент, который лучше всего сопротивлялся радиации – в культуре. Большинство новых бактерий, которые вырастают из них, несут полезные мутации радиационной устойчивости.
«Появляется много мутаций, которые могут не иметь отношения к возникновению устойчивости, и они просто готовы к поездке», – объясняет Кокс. «Мы разделили популяцию на четыре, чтобы мы могли сравнить мутации в нескольких популяциях, проверить закономерности и попытаться определить основные факторы радиационной устойчивости."
Со временем, когда бактерии стали устойчивыми, исследователи смогли повысить уровень радиации, которому они подвергают бактерии. В исследовании подробно рассматриваются мутации, которые они накопили после 50 циклов (то есть бактерии были облучены 50 раз).
Анализ последовательности, проведенный сотрудниками команды UW-Madison в Объединенном институте генома, учреждении в Университете штата Вашингтон.S. Министерство энергетики показало мутации в нескольких генах, которые отвечают за более эффективную репарацию ДНК в E. coli, которая может помочь придать устойчивость. Другая мутация произошла в РНК-полимеразе, ферменте, ответственном за транскрибирование РНК в ДНК, которая в конечном итоге используется для создания важных белков.
Хотя общие механизмы, такие как усиление репарации ДНК, такие же, как у естественно устойчивых бактерий, многие из мутаций, вызвавших эти изменения, никогда раньше не наблюдались. Брукбауэр добавляет, что помимо репарации ДНК и изменений РНК-полимеразы, могут возникнуть совершенно новые способы повышения устойчивости.
«Эти механизмы оказания сопротивления – это как раз те, которые мы видели», – говорит он. "Приятно думать о новых возможностях, которые мы еще не определили или которые еще даже не получили развития.
В природе есть и другие механизмы, которые, как мы ожидаем, со временем появятся, но затем могут появиться новые."
Группа в настоящее время проходит 125 цикл отбора и планирует изучить генетику будущих этапных циклов, чтобы увидеть, насколько устойчивыми могут стать бактерии.
Хотя радиационно-стойкие бактерии действительно существуют в природе, их полезность для различных применений может зависеть от конкретных мутаций, которые они несут. Кокс объясняет, что попытка создания такой бактерии, не зная об этих мутациях и о том, как они функционируют для улучшения систем репарации ДНК клеток, будет чрезвычайно сложной.
Радиационно-устойчивые бактерии потенциально могут вводиться в качестве пробиотиков, чтобы помочь облегчить некоторые побочные эффекты лечения рака и помочь очистить места ядерных отходов.
Кроме того, НАСА обеспокоено воздействием радиации на астронавтов в космосе, и работа Кокса может раскрыть механизм, с помощью которого они могут быть лучше защищены.
"Мы обнаружили, что E. coli и другие чувствительные к радиации организмы обладают этой скрытой способностью становиться очень радиационно-устойчивыми с модификациями некоторых существующих белков репарации ДНК », – говорит Брукбауэр. "Насколько нам известно, в лаборатории никто не делал чего-то столь радиационно-стойкого. Это отличный пример того, как жизнь адаптируется."