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사례 연구: 박테리아는 어떻게 내성을 갖게 됩니까? - 생물학

사례 연구: 박테리아는 어떻게 내성을 갖게 됩니까? - 생물학



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1부: MRSA란 무엇입니까?

의사가 무엇을 하든 간에 약물 내성 박테리아가 7주 된 아기의 폐에 구멍을 먹고 있었기 때문에 아기의 산소 수치는 떨어졌습니다. 그러던 중 매들린의 어머니가 아기 침대에서 축 늘어지고 파랗게 질린 것을 발견했고 그녀는 병원으로 급히 이송되었습니다. MRSA였습니다.

일반적으로 포도상구균으로 알려진 메티실린 내성 형태의 박테리아는 1970년대 병원에서 처음 확인되었지만 그 이후로 전 세계적으로 퍼져 어린이집, 학교 및 기타 공공 장소에서 나타납니다. 오늘날 미국의 병원에서 120만 건의 MRSA 감염이 발생하고 침습적 MRSA로 인해 연간 19,000명 이상이 사망합니다. 박테리아는 때때로 사람을 "식민지화"하고 질병을 일으키지 않을 수 있습니다. 사람은 수년간 그것을 몸에 지니고 다니며 다른 사람에게 전달하거나 표면에 남길 수 있습니다. 병원들은 시설에서 MRSA를 제거하기 위해 공격적인 캠페인을 벌였습니다.

매들린의 부모는 그녀가 어떻게 이 위험한 박테리아에 감염되었는지 궁금해했습니다. 매들린의 가족은 그들 중 치명적인 박테리아를 가지고 있는 사람이 있는지 또는 아이가 병원에서 박테리아에 감염되었는지 확인하기 위한 검사에 동의했습니다. 병원은 자신들의 시설이 MRSA의 출처가 아니라고 주장하며 항의했다.

과거에는 페니실린이 황색포도상구균 감염을 치료하는 데 사용되었습니다. 얼마 후, S. 아우레우스는 페니실린에 내성을 갖게 되었습니다. 1950년대 동안, 페니실린의 유도체는 황색포도상구균을 치료할 수 있는 제약 회사에 의해 발견되었습니다. 아래 그래프는 미국에서 항생제 내성 S. 아우레우스 감염의 확산을 보여줍니다. 병원("병원 획득")과 지역사회의 건강한 사람들("지역사회 획득")에서 감염을 일으킨 박테리아에 대해 별도의 곡선이 표시됩니다.

1. 그래프를 기반으로 페니실린 내성 S.aureus가 "커뮤니티에서 획득한" 위치에 대해 추론합니다.

2. 메티실린 내성이 페니실린 내성보다 뒤처진 이유는 무엇입니까? 페니실린에서 볼 수 있는 추세에 따라 메티실린에서 어떤 일이 일어날 것으로 예상하십니까?

파트 2: MRSA 스크리닝

메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA) 선별검사는 MRSA가 있고 다른 병원체가 없는지 확인하는 검사입니다. 그것은이다
주로 식민지 사람에서 MRSA의 존재를 식별하는 데 사용됩니다. 지역 사회 수준에서 선별 검사를 사용하여 발병 원인을 결정할 수 있습니다. 국가 차원에서 추가 검사는 지역사회 또는 의료 환경에서 순환하는 MRSA 균주의 고유한 유전적 특성에 대해 임상의와 연구자에게 알릴 수 있습니다.

무증상자의 콧구멍(콧구멍)에서 비강 면봉을 채취하여 배양합니다(특수 영양 배지에 넣고 배양한 후 특징적인 MRSA 집락의 성장을 검사합니다). 면봉은 이전에 MRSA 감염 치료를 받고 유사하게 배양한 사람의 상처 부위나 피부 병변에서 채취할 수 있습니다. 선별 배양은 MRSA의 부재 또는 존재를 식별하며 일반적으로 결과에 1~2일이 소요됩니다.

박테리아가 항생제에 어떻게 반응하는지 연구할 때 Kirby-Bauer 디스크 확산 방법이 사용됩니다. 이 기술에서는 항생제가 포함된 디스크를 박테리아가 자라는 한천에 놓고 항생제가 한천으로 확산됩니다. 항생제가 박테리아의 성장을 멈추면 박테리아가 자라지 않은 웨이퍼 주변의 원형 영역을 볼 수 있습니다. 이 영역을 "억제 영역"이라고 합니다. 이러한 영역의 직경은 아래와 같이 측정됩니다.

3. 병원은 시설에서 MRSA를 제거하기 위해 어떤 방법을 사용합니까?

4. 박테리아의 "균주"란 무엇입니까? 황색포도상구균의 일부 균주는 무해할 수 있지만 다른 균주는 치명적일 수 있다는 것이 어떻게 가능합니까? (이것은 구글링을 해야 할 수도 있습니다.)

5. 한 젊은 과학자는 개구리의 피부에서 발견되는 화학 물질을 항생제로 사용할 수 있다고 제안합니다. Kirby-Bauer 디스크 기술이 이 가설을 뒷받침하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 설명하십시오.

6. 개구리 피부 실험에서 수집한 데이터를 고려하십시오. 데이터에서 어떤 결론을 내리겠습니까?

대지금지 구역
개구리 피부1.2cm
페니실린3.9cm
아목시실린3.6cm
제어0.1cm

파트 3: 플레이트 분석

아래의 각 플레이트는 조사에서 채취한 샘플을 나타냅니다. 비강 면봉은 개별 가족 구성원에게서 채취하고 2개의 샘플은 병원 분만실에서 채취했습니다. 샘플은 항생제 디스크가 추가된 한천에서 성장되었습니다.

플레이트의 억제 영역을 측정하고 테이블에 데이터를 기록합니다.

견본디스크영역 크기견본디스크영역 크기
1체육3체육
CECE
버지니아버지니아
2체육4체육
CECE
버지니아버지니아

4부: 결론

7. 다음 표에는 샘플 소스가 나와 있습니다. 어떤 샘플에 MRSA가 포함되어 있습니까? 어떻게 아세요?

  • 샘플 1 - 매들린의 어머니
  • 샘플 2 - 매들린의 여동생
  • 샘플 3 - 매들린의 아버지
  • 샘플 4 - 분만실 표면

8. 샘플 2는 부비동 감염을 앓고 있는 가족 구성원의 비강 면봉에서 채취했습니다. 어떤 항생제 과정을 권하시겠습니까?

9. 매들린의 가족과 매들린이 분만된 병원에 어떤 권고를 하시겠습니까? 귀하의 권장 사항에는 귀하의 입장을 뒷받침하는 증거 기반 추론과 사례의 세부 정보가 포함되어야 합니다.


박테리아

박테리아의 특성

원핵생물(박테리아와 고세균)은 막에 결합된 핵이 없다는 점 외에 몇 가지 공통점이 있습니다. 원핵 생물은 또한 진핵 세포에서 발견되는 미토콘드리아 및 엽록체와 같은 다른 막 세포 소기관이 없습니다. (흥미롭게도 미토콘드리아와 엽록체가 박테리아에서 진화했다는 것이 매우 분명해 보입니다.) 많은 원핵생물이 편모나 편모를 통해 운동성을 갖지만, 원핵생물의 편모는 진핵생물에서 발견되는 것과 관련이 없습니다.

원핵생물은 또한 이분법이라는 과정을 통해 독점적으로 무성생식을 합니다. 진핵생물과 달리 원핵생물은 일반적으로 단일 염색체로 이중 가닥 DNA의 단일 분자를 가지며 이러한 염색체는 복제 개시를 위한 단일 부위를 갖는 것으로 보입니다. 원핵생물의 염색체는 구조적으로 더 복잡한 진핵생물 염색체의 경우보다 단백질과 관련된 단백질이 훨씬 적습니다.

고분자 합성은 세 가지 분류학적 영역에서 매우 유사하지만 몇 가지 중요한 구별되는 특성이 있습니다. 예를 들어, 박테리아의 RNA 중합효소는 Archaea 및 Eukarya보다 더 간단합니다. 즉, 하위 단위가 더 적습니다. 또한 박테리아에서 단백질 합성은 포르밀메티오닌으로 시작되는 반면 고세균과 진핵생물에서는 변형되지 않은 메티오닌이 사용됩니다. 세포벽의 화학적 성질을 포함하여 세 영역의 유기체 사이에는 수많은 다른 생화학적 및 생리학적 차이가 있습니다.

거의 모든 원핵생물에는 세포벽이 있으며, 이 세포벽은 진핵생물이나 식물의 세포벽과 상당히 다릅니다. 또한 박테리아의 세포벽은 Archaea의 세포벽과 상당히 다릅니다. 박테리아의 세포벽은 펩티드에 의해 가교결합된 변형된 당의 상당히 단단한 중합체인 펩티도글리칸을 함유하고 있습니다. 박테리아 세포벽에서 중요한 구별 분자 중 하나는 펩티도글리칸의 일부인 당 유도체 무라믹산입니다. 펩티도글리칸의 생성은 페니실린에 의해 억제되므로 이 항생제는 박테리아에 특이적입니다. (다른 많은 항생제도 박테리아에 특이적입니다.)

대부분의 박테리아는 세포벽의 구조를 기반으로 하는 염색 기술인 그람 염색에 의해 두 그룹으로 구분할 수 있습니다. 그람 양성 박테리아는 주로 펩티도글리칸으로 구성된 세포벽을 가지고 있는 반면, 그람 음성 박테리아는 펩티도글리칸의 얇은 내부 층과 지질, 단백질 및 지질다당류의 복잡한 외부 층을 포함하는 복잡한 세포벽을 가지고 있습니다. 이 외층을 외막이라고 합니다. 그람 음성 박테리아의 복잡한 세포벽은 일부 항생제의 흡수를 방해하므로 그람 음성 박테리아는 일반적으로 그람 양성 박테리아보다 이러한 항생제에 더 내성이 있습니다.

이 단단한 세포벽은 다양한 종류의 박테리아에 특징적인 모양을 부여합니다. 일부는 난형 또는 구형( 그림 1 )이며 구균(단일, 구균)이라고 하고 일부는 막대 모양( 그림 2 )이며 다른 일부는 때때로 나선형 또는 나선형 패턴으로 구부러져 있습니다( 그림 3 ). 후자는 축 방향 필라멘트에 의해 단단히 감겨 있고 운동성이 있으며 복잡한 외부 덮개를 포함하는 스피로헤타를 포함합니다.

그림 1. 의 주사 전자 현미경 사진 마이크로코커스 루테우스. 각 구균 세포는 직경이 약 1μm입니다. 세포가 작은 클러스터에 존재하는 경향이 있음을 유의하십시오. 이 유기체는 신진대사에 필요한 산소인 절대호기성 미생물이며 그람 양성 분열의 구성원입니다. (전자현미경 사진 제공: John Bozzola.)

그림 2. 의 주사 전자 현미경 사진 프로테우스 불가리스. 세포의 길이는 약 2.0~2.5μm입니다. 이 유기체는 이 현미경 사진에서 함께 묶인 편모에 의해 운동성이 있습니다. 이 박테리아는 Proteobacteria 부문의 구성원이며 인간의 요로 감염의 빈번한 원인입니다. (전자현미경 사진 제공: John Bozzola, 균주 제공: Eric Niederhofer)

그림 3. 의 주사 전자 현미경 사진 보렐리아 부르그도르페리. 이 박테리아는 Spirochete 부문의 구성원이며 라임병의 원인입니다. 이것은 선형 염색체를 갖는 것으로 알려진 비교적 소수의 박테리아 중 하나입니다(표 1 참조). 표시된 셀의 길이는 15μm입니다. (전자현미경 사진 제공: Pawel Krasucki 및 Cathy Santanello.)

대부분의 박테리아(및 고세균)는 약 1~5μm의 직경(및 길이)으로 작습니다. 그러나 스피로헤타는 가늘지만 길이가 200μm 이상인 경우도 있습니다. 가장 큰 세균 중 하나는 막대 모양의 에풀롭시쿰 피셀소니 직경이 50μm이고 길이가 500μm 이상입니다. 박테리아의 세포 티오마르가리타 나미비엔시스 직경이 750μm에 달할 수 있으며, 인쇄된 마침표 크기(완전 정지선)에 해당하므로 육안으로 볼 수 있습니다. 이 엄청난 크기는 질산염을 포함하는 매우 큰 액포의 존재로 인한 것입니다. 많은 박테리아는 액포 또는 저장 과립을 포함하지만 대부분은 크기가 훨씬 작습니다.

대부분의 박테리아는 단세포이지만 일부는 규칙적인 패턴으로 함께 뭉치고(그림 1 참조) 다른 박테리아는 수명 주기 동안 복잡한 다세포 그룹을 형성할 수 있습니다. 이러한 후자는 다음과 같은 유기체를 포함합니다. 점액상구균, 복잡한 생활 주기 동안 특수화된 세포 유형이 형성됩니다.


항생제 내성이 어떻게 발생하는지 설명하십시오.

첫째, 박테리아가 유전자 돌연변이를 통해 항생제 내성을 얻어야 합니다. 이것은 예를 들어 항생제의 남용이나 항생제의 전체 과정을 완료하지 못한 경우에 발생할 수 있습니다. 박테리아 DNA의 무작위 돌연변이는 특정 항생제에 대한 내성을 제공하는 유전자로 이어질 수 있습니다. 이것은 항생제 내성을 얻는 첫 번째 단계입니다.

다음 단계는 이 유전자의 증식입니다. 이것은 내성 세균 세포의 무성 생식 또는 '접합'이라는 과정을 통해 발생할 수 있습니다. 이것은 한 박테리아(이 경우 내성 세포)가 다른 박테리아로 필루스를 확장하고 이 DNA의 복제를 통해 플라스미드(원형 DNA 서열)를 다른 세포로 전달하는 곳입니다. 수용 세포는 이제 저항성 유전자의 사본을 포함하고 있으며 이를 무성 생식 또는 접합을 통해 다른 박테리아 세포로 전달할 수 있습니다. 항생제 내성은 박테리아가 종종 자신의 종 외부에서 접합할 수 있기 때문에 개체군, 종 및 다른 종 전체에 퍼질 수 있습니다.


박테리아가 항생제에 노출되는 동안 약물 내성이 되는 방법

카타리나 짐머
2019년 5월 23일

위: 일부 박테리아 세포는 약물 내성 단백질(빨간색으로 표시됨)을 생성합니다. 항생제 테트라사이클린에 휩싸인 약물에 민감한 세포는 녹색으로 보입니다.
CHRISTIAN LESTERLIN 및 SOPHIE NOLIVOS, 리옹 대학교

대장균 세포 성장을 방해하도록 설계된 항생제가 있는 경우에도 약물 내성 단백질을 합성할 수 있습니다. 그것은 오늘(5월 23일) 프랑스 연구원 그룹의 발견입니다. 과학. 그들은 또한 박테리아가 이 위업을 관리하는 방법을 발견했습니다. 잘 보존된 막 펌프가 항생제를 세포 밖으로 내보내는 것입니다. 세포가 약물 내성 단백질을 암호화하는 이웃 세포로부터 DNA를 받을 시간을 벌기에 충분한 시간입니다.

이번 연구에 참여하지 않은 이스턴 뉴멕시코 대학의 미생물학자 마누엘 바렐라(Manuel Varela)는 “이것은 중요한 발견”이라고 말했다. 과학자 이메일에서. "이 발견은 박테리아가 독성 수준의 항생제에 직면할 때 항균제 내성을 퍼뜨리는 방법을 설명하는 데 도움이 될 것입니다."

이 발견은 리옹 대학의 세균 유전학자이자 연구의 수석 저자인 Christian Lesterlin에게 놀라운 일이었습니다. 그와 그의 동료들은 처음에 박테리아 세포가 서로 DNA를 공유하는 과정인 플라스미드 전달을 자세히 관찰하기 위한 실시간 현미경 시스템을 개발하는 프로젝트를 시작했습니다. 주의 깊게 설계된 형광 단백질을 사용하여 그들은 DNA를 기증자 세포에서 수용자 미생물로 이동시키는 플라스미드뿐만 아니라 일단 새로운 숙주 내에서 번역된 결과 단백질을 추적할 수 있었습니다.

사용 대장균사례 연구로 항생제 내성 유전자를 습관적으로 공유하면서 그들은 박테리아가 TetA 단백질을 인코딩하는 DNA 주위를 지나가는 것을 관찰했습니다. 얼마 후, 그들은 플라스미드 DNA가 내성이 없는 세포에 도달하는 것을 관찰했고, 얼마 후 수용체 세포의 막에 붉은 형광 반점이 나타나는 것을 관찰했는데, 이는 TetA 단백질이 번역되었고 세포가 테트라사이클린에 내성이 있음을 나타냅니다.

가축에 일반적으로 사용되지만 때로는 폐렴, 호흡기 감염 및 기타 질환을 치료하는 데도 사용되는 항생제는 일반적으로 TetA가 없는 박테리아의 성장을 억제하지만 수많은 박테리아 균주가 채택을 통해 내성을 갖게 됩니다. 그러한 메커니즘의. 이 초기 실험에는 테트라사이클린이 없었기 때문에 이 과정이 약물 자체에 의해 어떻게 영향을 받는지 알아보기 위해 연구자들은 세포를 고농도의 테트라사이클린에 노출시키고 다시 현미경으로 관찰했습니다.

예상대로 그들은 새로운 비저항성 세포에 플라스미드 DNA가 도착하는 것을 관찰했습니다. 이것은 테트라사이클린이 그 과정을 방해하지 않기 때문에 예상된 것입니다. 대신 단백질 생산을 지연시키도록 설계되었습니다. 그리고 놀랍게도 연구자들은 이전에 TetA 단백질이 없었던 일부 새로운 수용 세포에서 적색 형광이 나타나는 것을 보았습니다. 분명히 그들은 테트라사이클린에 노출되었음에도 불구하고 여전히 TetA를 포함한 단백질을 합성할 수 있었습니다. Lesterlin은 "우리는 이 결과를 확인하는 데 많은 시간을 보냈습니다. 이는 매우 직관적이지 않았습니다. 그리고 그것이 실제로 일어나고 있는지 확신하는 데 어려움을 겪었습니다."라고 회상합니다.

팀은 세포가 왜 이런 기능을 할 수 있었는지에 대해 교육받은 추측을 했습니다. 많은 박테리아 막에는 AcrAB-TolC로 알려진 다중 약물 유출 펌프가 있는 것으로 알려져 있으며, 이 펌프는 광범위한 항생제를 세포 밖으로 이동시킬 수 있습니다. 단백질 합성과 세포 성장을 멈추기 전에 세포에서 테트라사이클린을 제거하고 있다고 생각했습니다. 그 아이디어를 테스트하기 위해 연구자들은 펌프를 구성하는 다양한 단백질을 암호화하는 유전자 중 하나에 유전적 돌연변이를 가진 여러 돌연변이를 조작했습니다.

그들은 돌연변이가 이웃 세포로부터 TetA에 대한 유전자 코드를 포함하는 플라스미드를 받았지만 TetA 단백질을 합성할 수 없다는 것을 발견했습니다. 기능적 유출 펌프가 없으면 돌연변이체는 테트라사이클린을 세포 밖으로 보낼 수 없습니다. 항생제 수치가 세포 내부로 급증함에 따라 더 이상 단백질을 만들거나 성장할 수 없었습니다.

연구원들에 따르면, AcrAB-TolC 펌프가 기능할 때 세포가 플라스미드 DNA에 암호화된 저항성 단백질을 합성할 수 있을 정도로 항생제 농도를 충분히 낮게 유지함으로써 박테리아의 시간을 벌 수 있다고 합니다. 이 경우 TetA 단백질의 생산을 허용하여 더 많은 테트라사이클린을 세포 밖으로 분로시킵니다. 궁극적으로 박테리아는 항생제의 영향을 받는 동안 내성이 생길 수 있습니다. Lesterlin이 말했듯이 "인간의 건강보다 박테리아에 더 좋은 소식"입니다.

연구에 참여하지 않은 콜로라도 대학의 화학공학자이자 미생물학자인 Anushree Chatterjee는 “다약제 유출 펌프 AcrAB-TolC는 이 분야에서 꽤 오랫동안 알려져 왔습니다. 그러나 박테리아가 항생제에 동시에 노출되는 동안 약물 내성을 획득하는 데 도움이 된다는 사실은 뉴스라고 그녀는 말합니다. "벌레가 할 수 있는 일이 얼마나 많은지 보는 것은 항상 흥미롭습니다."

AcrAB-TolC는 박테리아 전반에 걸쳐 매우 광범위하게 보존되고 메커니즘이 테트라사이클린에만 국한되지 않기 때문에 발견은 광범위하게 관련이 있다고 그녀는 말합니다. Lesterlin과 그의 동료들은 또한 이 펌프가 번역 억제 클로람페니콜 및 전사 억제 리팜피신과 같이 유전자 발현을 억제하도록 설계된 다른 항생제의 존재 하에서 박테리아가 약물 내성 단백질을 생성할 수 있도록 한다는 것을 보여주었습니다. 이 메커니즘은 박테리아를 죽이지 않고 억제할 뿐인 소위 정균 항생제와 관련이 있다고 Lesterlin은 덧붙입니다. 그는 그것이 내성을 갖기 전에 박테리아를 완전히 파괴하는 박테리아 용해 항생제에 효과가 있을지 의심합니다.

Chatterjee와 Varela는 모두 새로운 연구가 철저하고 그 결과가 강력하다는 것을 알게 되었으며, Varela는 특히 팀이 TetA 단백질 합성을 동시에 관찰하면서 세포 간의 플라스미드 DNA 전달을 시각화하기 위해 개발한 기술에 깊은 인상을 받았습니다.

Varela는 이메일에서 "저자들은 새로운 항균제 개발을 위한 새로운 표적이 될 수 있는 주요 박테리아 기계를 식별하는 방법을 밝혀냈습니다."라고 덧붙였습니다. 예를 들어, AcrAB-TolC 펌프를 표적으로 하여 항생제를 만들 수 있습니다. 일부 연구실에서는 이미 작업 중인 접근 방식입니다. 또는 Chatterjee에게 호소하는 각도인 생산을 조절하는 유전자를 표적으로 삼을 수 있습니다. 항생제를 디자인하는 전통적인 접근 방식은 특정 단백질을 표적으로 하는 소분자에 크게 의존해 왔으며, 그 중 많은 박테리아가 수년 동안 관찰되어 궁극적으로 더 많은 내성 메커니즘을 선택했습니다.

Chatterjee는 “전통적이지 않은 경로를 살펴볼 필요가 있습니다. “세포가 이러한 스트레스 상황을 헤쳐나갈 수 있도록 하는 조절 메커니즘은 무엇입니까? 나는 이러한 과정을 표적으로 삼는 것이 처음부터 저항을 저지할 수 있는 더 똑똑한 치료법을 구축하는 길인 것 같다”고 말했다.


새로운 기술을 통해 내성 박테리아와 싸울 수 있는 잠재적 약물 식별 가능

오하이오에 있는 마이애미 대학의 연구원들은 과학자들이 잠재적인 억제제가 항생제 내성 박테리아에 어떻게 작용하는지 평가할 수 있는 새로운 기술을 최적화했습니다. 고유 상태 질량 분석법이라고 하는 이 기술은 특히 박테리아를 항생제 단독으로 더 이상 치료할 수 없는 경우 과학자들이 효과적인 임상 약물에 대한 최상의 후보를 식별할 수 있는 빠른 방법을 제공합니다. 이 연구는 2021년 6월 21일 미국미생물학회 세계미생물포럼 온라인 컨퍼런스에서 발표될 예정이다.

지난 세기에 항생제 남용으로 세균 내성이 증가하여 현재의 항생제로 더 이상 치료할 수 없는 많은 세균 감염이 발생했습니다. 미국 질병 통제 예방 센터(Centers for Disease Control and Prevention)에 따르면 매년 미국에서 280만 명이 하나 이상의 항생제에 내성이 있는 세균 감염으로 진단되고 35,000명이 내성 감염으로 인해 사망합니다.

"항생제 내성을 퇴치하는 한 가지 방법은 약물/억제제 병용 요법을 사용하는 것입니다."라고 Ph.D.인 Caitlyn Thomas가 말했습니다. 화학 분야의 후보자, 연구에 대한 저자 발표. 이러한 유형의 치료법의 예는 항생제 아목시실린과 억제제 클라불란산으로 구성된 호흡기의 세균 감염을 치료하는 데 사용되는 처방 항생제인 오그멘틴(Augmentin)입니다. 클라불란산은 박테리아가 아목시실린에 내성을 갖기 위해 사용하는 주요 단백질을 비활성화합니다. 박테리아 단백질이 비활성화되면 항생제인 아목시실린이 남아 박테리아를 죽이고 감염을 치료합니다.

새로운 억제제가 임상에서 사용되기 전에 과학자들은 억제제가 어떻게 작용하는지 완전히 이해해야 합니다. 현재 연구에서 Thomas와 그녀의 팀은 메탈로-베타-락타마제(metallo-beta-lactamase)라고 불리는 박테리아 단백질을 연구했는데, 이 단백질은 모든 페니실린과 같은 항생제에 내성을 가진 많은 박테리아 임상 균주를 만듭니다. 페니실린 유사 항생제는 세균 감염을 치료하는 데 사용할 수 있는 전체 항생제 무기고의 60% 이상을 차지합니다.

전 세계의 많은 연구실에서 메탈로-베타-락타마제를 비활성화하는 새로운 억제제를 만들려고 시도하는 동안 Thomas와 공동 연구자들은 대신 이러한 새로운 억제제가 어떻게 작용하는지 분석합니다. "메탈로-베타-락타마제는 2개의 금속 이온을 포함하기 때문에 우리는 이를 연구하기 위해 다양한 분광 기술을 사용할 수 있습니다."라고 Thomas가 말했습니다. "이러한 실험은 억제제가 어떻게 작용하는지 그리고 잠재적으로 향후 임상적 사용을 위한 후보가 될 수 있는지에 대한 더 많은 통찰력을 제공합니다."

수백 가지의 잠재적 억제제가 문헌에 보고되었으며 메탈로-베타-락타마제 억제제를 다루는 여러 특허가 제출되었습니다. 보고된 억제제 중 일부는 metallo-beta-lactamase의 필수 구성 요소를 제거하여 작동합니다. 이러한 동일한 억제제는 인간의 다른 단백질에서 이와 동일한 필수 구성요소를 제거하여 심각한 부작용을 일으킬 수 있습니다. 다른 억제제는 metallo-beta-lactamase에 직접 결합하고 이러한 유형의 단백질 억제제를 비활성화하는 것은 임상에서 사용할 수 있는 새로운 억제제에 가장 적합합니다.


4.2 박테리아는 어떻게 항생제에 내성을 가질 수 있습니까?

항생제는 박테리아 외피를 변경하거나 박테리아 내부의 중요한 생리학적 과정과 성장을 방해함으로써 작용합니다.

박테리아는 분자가 공격할 수 있는 부위가 없거나, 외피가 항생제를 허용하지 않거나, 일부 유출 펌프가 항생제를 배출하거나, 박테리아가 항생제를 파괴하는 효소를 생성하기 때문에 항생제에 "감수성"이거나 본질적으로 내성일 수 있습니다. .

증가하고 지속적인 관심은 돌연변이, 유전자 발현 변화 또는 다른 박테리아로부터의 내성 유전자 전달에 의해 내성이 되는 세균 균주입니다. 유전자 전달은 다른 방식으로 일어날 수 있지만 일반적으로 게놈의 다른 부분 사이를 이동할 수 있는 유전자를 포함합니다. 이러한 획득된 유전자 중 일부는 박테리아가 항생제를 파괴하거나 제거할 수 있게 하고 다른 일부는 항생제가 공격하는 박테리아의 부분을 변경합니다. 세 가지 가능한 메커니즘이 있습니다.

    세포막이 항생제에 대한 투과성을 떨어뜨리거나 유출 펌프를 생성하여 작용을 시작하기 전에 세포에서 항생제를 "펌핑"할 수 있습니다.
  1. 박테리아는 항생제를 공격하고(구조 변경) 해독 효소를 생성하여 항생제를 효과가 없게 만들 수 있습니다.
  2. 박테리아는 항생제가 공격하는 구조의 일부(표적 돌연변이)를 보호하거나 수정하거나 실제 표적 부위 대신 항생제가 공격하는 유인물을 생성할 수 있습니다.

여러 종류의 항생제에 동시에 내성이 생기는 "다제내성세균"은 흔히 발견되는 병원에서 심각한 우려의 원인이 됩니다. 그들은 주로 표적 돌연변이 또는 해독 효소를 포함한 다른 저항 메커니즘과 함께 박테리아 내부의 농도가 무해해지도록 유해한 화합물을 펌핑하는 역할을 합니다.

내성 박테리아가 나타나면 항생제를 사용하면 내성 유전자를 가진 박테리아가 다른 균주와 경쟁하지 않고 성장하고 번식할 수 있도록 다른 균주를 죽임으로써 내성 균주가 번성하도록 도울 수 있습니다. 이 박테리아는 또한 유사하거나 다른 종의 다른 박테리아에 내성 유전자를 전달할 수 있습니다. 더.


식물의 곤충 저항성 | 유전학

이 기사에서 우리는 식물의 곤충 저항성에 대해 논의할 것입니다.

곤충 통제는 농작물에 있어 심각하고 가장 큰 도전입니다. 곤충으로 인한 작물 피해의 세계적 상황은 심각한 문제입니다. 현대 농업은 오래된 문제에 대한 새로운 솔루션을 제공합니다. 다양한 살충제를 사용함에도 불구하고 피해의 정도는 광범위한 영향을 미치는 것으로 보입니다.

곤충의 해충 관리 및 화학적 방제는 연간 120억 달러 이상에 달하며 총 손실은 총 생산량의 25-30%를 차지합니다. 또한, 해충 저항성 곤충 감염은 작물을 황폐화시킬 수 있습니다. 또한 무분별한 살충제 및 살충제 사용으로 인해 환경 문제가 발생하고 있습니다.

이 엄청난 연습에서 몇 가지 주목할만한 예외는 곤충 통제의 생물학적 방법, 즉 Bacillus thuringiensis에 의해 생성되는 곤충 독소의 유용성입니다. 곤충 방제에 B. thuringiensis의 사용은 새로운 접근 방식으로 보이지만 실제로는 생물학적 살충제로 40년 이상 사용되었기 때문에 오래된 관행입니다.

곤충 저항을 위한 Ge&synetic engineering은 매력적인 접근 방식을 제공하며 기존의 모든 방제 방법을 대체할 수 있습니다. Bt 결정 단백질 외에도 프로테아제 억제제, α-아밀라아제 억제제, 키티나제 및 콜레스테롤 산화효소와 같은 몇 가지 다른 생명공학적 접근은 형질전환 작물에 의한 곤충 방제 전략에서 합리적인 성공을 제공했습니다.

Bt 독소를 발현하는 형질전환 옥수수, 목화 감자가 여러 상업적인 유전자 조작 곤충 저항성 작물로 출시되었습니다. 북미에서 이러한 작물은 이미 광대한 지역에서 재배되고 있으며 더 많은 형질전환 식물이 다른 국가에 출시될 예정입니다.

Bacillus Thuringiensis — 곤충 방제용 무기:

Bacillus thuringiensis는 토양, 식물 표면, 먼지 및 곡물 저장고와 같은 많은 위치에 존재하는 포자를 형성하는 그람 양성 박테리아입니다. 이들은 40년 동안 생물 살충제로 사용되었습니다. 이 박테리아는 1901년 병든 누에 유충에서 처음 발견되었습니다. 베를리너 박사는 병든 밀가루 나방 유충에서 이 살인자 박테리아를 분리했습니다. 그들은 지중해 밀가루 나방(Ephestia kuhnella) 유충에 특정한 독성을 나타내고 식사 벌레 유충에는 나타나지 않습니다.

Bacillus 종은 B, thuringiensis의 존재에 의해 포자형성 동안 형성되는 관련된 parasporal crystals­tals와 구별될 수 있습니다. 화학 살충제의 무분별한 사용과 환경 문제는 1960년 첫 Bt 균주의 상업화를 촉발했습니다.

Bt의 상품명인 Thuricide는 나비목 곤충을 통제하기 위해 표시되었습니다. 나중에 여러 다른 균주가 살충제로 완전히 대체되었고 살충제 활성을 증명하기 위해 식물에 직접 살포되었습니다.

1977년까지 Bt는 나비목 해충에 대해서만 작용할 수 있다고 믿어졌습니다. 이 견해는 Goldberg가 모기가 광범위하게 번식하는 연못에서 Bacillus thuringiensis Israelensis 균주를 분리했을 때 방향이 바뀌었습니다. 추가 연구에서 느릅나무 잎벌레와 콜로라도 감자 딱정벌레 유충과 같은 다른 곤충에 대한 잠재적 살충제 역할이 밝혀졌습니다. Bt의 odessey에서 수백 개의 균주가 분리되고 성공적으로 특성화되었습니다.

B. thuriengensis의 다른 균주는 살충 활성 방식이 다릅니다. 대부분의 Bt는 나비목에 대해 활성이며 일부 균주는 쌍떡잎식물에 특이적이고 딱정벌레목도 관찰되었습니다. Bt 결정 단백질은 킬러 단백질입니다.

식물에 Bt를 뿌리면 자외선에 의해 결정 단백질이 빠르게 분해되고 활성이 느슨해집니다. 이러한 문제는 결정 독성 단백질을 지속적으로 발현하고 분해로부터 보호되는 형질전환 식물을 생산함으로써 효과적으로 해결됩니다.

Bacillus thuringiensis는 포자 형성 동안 본질적으로 결정질인 살충 단백질을 형성합니다. 결정 단백질의 총 건조 중량은 포자 건조 중량의 30%만큼 차지합니다. 결정 단백질은 하나 이상의 프로톡신으로 구성되며 그 질량은 최대 160,000달톤에 이릅니다. 단백질 분해에 의한 전구독소의 절단은 나비목과 쌍갑류 곤충에 특이적으로 독소인 55,000~70,000개의 펩티드를 생성합니다.

Bacillus thuringiensis parasporal crystals­tal은 130 kDa의 하나 이상의 8-endotoxin 또는 crystal (cry) 단백질로 구성됩니다. δ-내독소는 알칼리성 조건 또는 곤충 중장에서 용해되고 분자 질량 65,000 – 160,000의 단백질을 방출하여 활성 형태의 내독소가 되고, 그 후 프로테아제에 의해 처리되어 중장 상피 세포에 결합하여 더 작은 독소 단편을 생성합니다. 세포막의 기공 형성을 통해 삼투 용해를 유발합니다.

Bt의 결정 단백질은 130kD의 단일 폴리펩타이드로 구성되며, 이 중 독소 펩타이드는 크기의 절반입니다. 결정 단백질을 암호화하는 유전자는 박테리아의 염색체가 아닌 플라스미드에 위치합니다. 예를 들어 HD-1 균주에는 살충 독소 유전자를 포함하는 박테리아에 두 개의 플라스미드가 있습니다. B. thuringiensis 독소는 다른 기관에 독성이 없는 방식으로 매우 특이적입니다. 이러한 독특한 특성을 가지고 있어 안전한 살충제로 사용될 수 있으며 또한 화학 살충제의 효과적인 대안이 될 수 있습니다.

살충 결정은 곤충이 살충 결정 단백질의 일부를 섭취할 때 본질적으로 비활성인 큰 단백질로 구성됩니다. 곤충 중장의 알칼리성 환경(pH 7.5 ~ 8.0)은 결정을 용해시켜 구성 성분인 프로톡신을 방출합니다.

이 단계에서 결정 단백질은 비활성이지만 곤충의 장내 특정 프로테아제의 존재는 N-말단 65-70 kDa 절단된 형태로 트리밍되고 비활성 단백질을 즉시 활성 단백질로 전환시킨다(그림 20.6).

그런 다음 처리된 활성 단백질은 중장을 둘러싸고 있는 세포의 경계막에 있는 특정 수용체에 결합하고 곤충 자체는 세포막에 결합합니다. 이들 중 8개 정도가 뭉치면 막을 통해 구멍이나 채널이 형성되고, 결과적으로 세포 내용물이 지속적으로 누출되어 세포가 사멸되고 결국에는 콜로이드 또는 삼투압 용해에 의해 사멸됩니다. 이러한 시스템은 영양소 흡수에 필수적입니다. 일단 피해가 발생하면 곤충은 즉시 섭식을 중단하고 결국 24시간 이내에 굶어 죽을 수 있습니다.

플라스미드 또는 염색체 DNA에서 Bt 유전자의 정확한 위치는 분리 전에 필수적입니다. 독소 유전자의 형태는 살충 활성이 없는 다른 균주와 Bt 균주를 접합함으로써 가질 수 있다. Bt 균주는 플라스미드 및 염색체 DNA의 분리에 의해 플라스미드 및 염색체 및 시모솜 DNA 분획의 분리가 뒤따릅니다.

독소 유전자가 플라스미드에 암호화되어 있는 경우 자당 밀도 원심분리를 거쳐 플라스미드 DNA에 대해 분획화됩니다. 배지 및 더 큰 플라스미드는 엔도뉴클레아제로 처리되고 pBR322 플라스미드로 표적화됩니다. 복제된 은행은 대장균으로 형질전환되었습니다. 면역학적 방법으로 스크리닝하였다.

결정 단백질의 분류:

많은 수의 Bt 살충 σ 엔도톡신 단백질 유전자 e도 클로닝되고 시퀀싱되었습니다. 현재까지 130개 이상의 유전자가 확인되었습니다. Bt 살충 단백질은 일반적으로 단백질의 아미노산 서열을 기반으로 하는 cry 유전자로 알려져 있습니다.

cry I 유전자에 의해 암호화된 단백질은 애벌레에게만 유독합니다. cry I 유전자 인코딩된 단백질은 나비목 또는 쌍룡류(모기 파리)에 독성이 있는 반면 cry IV 단백질은 쌍수류에 대해서만 활성입니다. 그러나 cry III 유전자는 딱정벌레, 즉 딱정벌레목 유충에 대해 무기화될 수 있는 단백질을 생성합니다(표 20.2).

다른 울음 그룹은 하위 패밀리로 더 나뉩니다. 예를 들어, 울음 I 그룹은 울음 IA, lb, Ic로 나뉘고 유사하게 5개의 하위 패밀리가 울음 IA로 만들어졌습니다.

1세대 형질전환(Bt) 식물:

초기 실험 중 일부에서 전체 길이 및 절단된 cry 유전자는 구성 프로모터, 전장 유전자, 절단된 유전자 및 종결된 유전자를 포함하는 변형된 Agrobacterium tumeifaciens와 같은 식물 발현 벡터를 설계하여 담배 및 감자와 같은 모델 식물에 성공적으로 도입되었습니다. signal, provide some good protection against insect challenge.

Later investigation has clearly revealed that expression of unmodified cryA genes was too low to provide complete protection. In the Bt odessey, modification of toxin was enforced to enhance resistance against insect. The cloning of the Bt 2 gene from B-thuringenesis and characterization of the polypeptide expressed in bacterial E. coli system was analysed.

The characterized Bt is 1,155 amino acid long and is a potent toxin to several lepidoptera larvae such as tobacco pest (Maduca sexta), tomato pest (Heliothis vivescence and Helicoverpa). Bt2 is a protoxin generate smallest fragment that is still possess full toxic mapped in the NH2-terminal half of the protein between amino acid position 29 and 607. Insecticidal activity in transgenic plants was evidenced by feeding leaves of transgenic plants on M. sexta larvae and confirms 75-100% mortality of the larvae.

Several group of researcher continued their work and conducted field trials with transgenic plants expressing Bt proteins. The outcome of their study was found to be display of two impor­tant factors. One is, they demonstrated that Bt gene could be systematically expressed in transgenic plants. Another is expression level of Bt toxin protein. They showed that level of insecticidal protein in transgenic plants with exceptional of few was relatively low, generally not sufficient to provide protection to the plant against insect challenge.

Engineering of Bt Cry Genes:

The enigma of low Bt gene expression become the target for many research groups in­volved in insect control and greater attention was given to the engineering of Bt gene to accel­erate its expression, so that complete protection can be accomplished. Bacillus thuringiensis cry genes are typically bacterial genes. Their DNA sequence has high A/T content than plant genes in which G/C ratio, higher than A/T.

The overall value of A/T for bacterial genes is 60-70% and plant genes with 40-50%. As a consequence, GC ratio in cry genes codon usage is significantly insufficient to express at optimal level. Moreover, the A/T rich region may also contain transcriptional termination sites (AATAAA polyadenylation), mRNA instability motif (ATTTA) and cryptic mRNA splicing sites.

These regions might be recognised by the plant transcriptional system as destabilising sequence or as introns. Some critical assessment was made in the gene modification of cry genes like crylAb, and crylAc genes in transgenic tobacco, tomato and cotton. Partial modification in cry IAb involves the removal of seven out of 18 polyadenylation sites and seven out of 13 ATTTA sequences.

As a consequence, there was considerable increase in protection of plants and ten-fold increase in Bt protein concentration when compared with unmodified genes. Further increase in Bt protein production (upto 0.2 to 0.3% of total soluble protein) to 100-fold level have been contrived by removing remaining poly-adenylation sites and ATTA sequence and changes to a total of 356 of the 615 codons.

Apart from modification of Bt gene by removal of some sequence, resynthesis of the genes contain higher G/C content, solved one of the major problems of low expression. This allowed the codon usage to be accorded for particular crop. The synthetic modified gene is exactly pro­portion as native gene.

The track record of this Bt gene expression showed substantial increase in the expression of cry 3A gene in transgenic potatoes and it was achieved by increasing its overall G/C content from 36% to 49%, which result in the fine protection against Colorado potato beetle larvae. The performance of transgenic cotton expressing 100-fold increase in cry 1Ab or cry 1AC were confirmed by effective control of cotton pests such as cotton boll worm in 1990.

This high level expression was achieved by using strong 35S promoter with duplicated enhanc­ers and sequence modification in certain regions of the gene with predicted mRNA secondary structure. Innacone (1997) reported sequence modification of cry 3B endotoxin gene re­sulted in high level of expression. When cry 3B native gene was transferred into egg-plant (Solanum melongena) low expression of toxin protein and no resistance were recorded.

The Bt 43 belonging to the cry 3 class was partially modified by its nucleotide sequence by replacing four target regions using reconstructed synthetic fragments. The coding sequence of Bt 43 wt (wild type) was partially redesigned and nine DNA fragments were identified as target for substitution (modification).

Synthetic Bt genes were designed in such a way that in their modified region, researchers deliberately avoids the sequences such as ATTA sequence, polyadenylation sequence and splicing sites, which might destabilize the messenger RNA. In addition, codon usage from AT to high GC ratio was improved for better expression.

The modi­fied gene resulted in four versions (BtE, BtF, BtH and Btl). In the modified version of Btl gene, overall G + C ratio was increased from 34% of the wild type gene to 45% (Fig. 20.7). Transgenic plants obtained with modified versions. BtH and Btl, were completely resistant to Leptinotorsa decemli.

Dotted boxes are indicated by the replacement of nucleotide sequence.

A modified synthetic cry IA (b) gene was transferred to cabbage cultivar and their ex­pression resulted in significant insecticidal activity of transgenic cabbage plant against the larvae of diamond moth. These results also reveal that synthetic gene based on monocot codon usage can be expressed in dicotyledons plants for insect challenge.

Efficient expression of modified Bt gene under the control of strong CamV 35S is well documented. In addition, other promoters such as wound inducible promoters, chemically in­ducible promoters and tissue specific promoters have also been used. In certain cases, Bt pro­tein has been made to express in the chloroplast of tobacco by rubisco small subunit promoter fused to plastic signal peptide.

Surprisingly chloroplast transformation can be performed for better expression of even unmodified Bt protein. This shows that transcriptional and translational machinery of plastids are similar to chloroplast. Therefore, modification of crylAc se­quence in many cases was found to be unnecessary.

Apart from dicotyledons, several members of monocotyledons were transformed with Bt crystal protein. Transformation of maize with truncated cry 1A6 gene by complete replacement of codons with maize codons resulted in increased percentage of GC content of the gene (37% to 65%). As a consequence, transgenic maize provided excellent protection against European corn borer.

Another case study, among monocot is the expression of synthetic Cry IA (b) gene in Indica rice. Transgenic rice plants displayed high level expression in their leaves and result in high effective control of pest of rice in Asia. The yellow stem borer (YSB) and the striped stem borer (SSB) and feeding inhibition of two leaf folder species.

Second Generation of Insect Resistant Transgenic Plants:

First generation of transgenic insecticidal plants consist of δ-endotoxins are currently using in large scale in agriculture. Although Bt toxin is a remarkable protein by providing protection to the several economically important plants from insects challenge.

Their overall performance was found to be not efficient against some economically-important insect’s pest such as northern and western corn-root worms and also boll weevil. As a consequence, alterna­tive strategies have been evolved to characterize novel insecticidal proteins.

The best way is to screen bacterial production of insecticidal proteins in physiological stages of bacterial growth other than looking for protein and sporulation stage, where production of Bt protein occur normally. In addition, screening is done for new sources of insecticidal protein even in plant sample, particularly in tropical plants. Following are some of the non-Bt insecticidal proteins providing protection against several pests.

VIP’s Toxin Protein (vegetative insecticidal protein):

While searching for novel insecticides effectives alternative to Bt insecticide protein was discovered that certains Bacillus species produces novel insecticidal protein during vegetative stages (lag phase) of growth in culture. Their presence was confirmed in supernatant obtained from bacillus clarified culture.

Supernatant fluids of Bacillus cereus when tested, exhibit po­tent insecticidal activity against corn root worms. The insecticidal protein was identified as VIP1 and VIP2. In addition, VIP3A a new class of insecticidal protein shows no sequence homology to known Bt cry proteins and specifically binds to non-Bt receptors into insect midgut.

Currently, VIP3 is under review for its efficacy in reducing the rate of insect resistance development. These three vip proteins exhibits number of positively charged residues followed by a hydrophobic core region. The efficacy of vip proteins as insecti­cide potency shows that they exhibit acute bioactivity against susceptible insect (ng/ml of diet).

Bt toxin protein shows bioactivity with the same concentration of vip proteins. The better insec­ticidal activity is associated with VIP 2A protein in particular as it display insecticidal activity against wide spectrum of lepidopteran insects such as beet army worm, cut worm and a army worm. In the susceptible insects protein vip 3A causes gut paralysis after specifically binds to gut epithelium followed by complete lysis of these cells.

Proteinase Inhibitors:

These are the inhibitor proteins reduces feeding efficiency of insects by inactivating their digestive enzyme. Thereby deprived insects from having nutrition. Transgenic plants express­ing proteinase inhibitors act on insects as growth retardant, when feeds on the plant. Several plants, particularly pulses contains substantial amount of inhibitor proteins.

Once these pro­teins enters insects digestive system, paralyse protein digestive enzymes. The gene for these proteins in plants have been characterised and exploited in transgenic technology for the production of insect resistant plants. One classic example is the cloning of well characterized trypsin inhibitor gene. Transfer of this gene into plants provides considerable protection against sev­eral insects.

The enzyme chitinase have been explored as insecticide protein. Transgenic plants ex­pressing chitinases in tobacco provides protection against tobacco bud worm after insects starts feeding the tissues. Chitinase enzyme target chitin structure known as peritrophic membrane present in the insects midgut lumen. For effective control, large amount of chitinase has to be produced in the plant as peritrophic membrane tends to regenerate continuously in the insects.

These are haeme agglutinin proteins present in many plants which are used to control insects due to its effective insecticidal property. Once it was thought, lectins could be an alter­native to Bt 6 endotoxin. The ability of lectin to bind glycosylated proteins on insect midgut is well characterized. Its insecticidal activity however, confirms only when insects are exposed to high level in the diet.

There have been many reports of transgenic plants expressing lectin Coding genes. But their performance as insecticidal protein was found to be unsatisfactory due to their minimal level of expression. However, there have been a number of reports on transgenic maize expressing wheat germ lutin, jacaline or rice lectin when tested for European corn borer demonstrated minimum level of larvae growth.

This protein belonging to the member of large family of acysterol oxidase, where boll weevil larvae fed by a diet containing cholesterol oxidase (CO) showed structural alteration in the midgut epithelial cells. After exposure to ‘CO’-exhibited cellular attenuation accompanied by local cytolysis. These cytological symptoms suggesting that ‘CO’ alters the cholesterol incorpo­rated into the membrane.

Cholesterol is indispensable for the structural integrity and normal functions of all cell membrane. A cholesterol oxidase catalyses oxidation of cholesterol to pro­duce ketosteroids and hydrogen peroxide. Therefore, any interference in the incorporation of cholesterol into the membrane may Jeopardise the integrity of cell membrane and eventually cell lysis and death.

Transgenic plants expressing active cholesterol oxidase has been demon­strated in tobacco protoplast transformed with native cholesterol oxidase gene. Once insect’s starts feeding on transgenic plants, their midgut epithelium seems to be primary target to CO and consequently leads to death of insects.

The expression of the toxin A (TcdA) from photorabdus luminiscence in transgenic plant represents an important step in searching for new novel genes for insect challenge. This was happened to be the classic example of exploiting symbiotic bacteria involved in biocontrol of insects in nature.

Photorabdus luminiscence is a bacteria lives symbiotically within the nematode Heterorhabditis. This nematode is parasite to insects and is highly pathogenic to large number of insects. The pathogenecity of insects is mainly due to the presence of symbi­otic bacteria photorabdus luminiscence.

When numatode invades an insect and regurgitates the bacteria that then produce toxin A that kills the insects. Bacterial derived toxin A has excellent activity against atleast one lepidopteron pest (Manduca sexta) comparable to those of Bt insecticidal activity. It also exhibited some activity against southern corn root worm an important pest of corn.

There has been report on the expression of tcdA gene, encodes 283 kDa protein, toxin A in Arabidopsis thaliana. The tcdA, gene consists of 7, 548 bp encode toxin A is one of the largest transcripts ever produced in a transgenic plant.

Expression level was found to be increased using high-dose strategy in which addition of 5′ and 3′ untranslated region (UTR) of tobacco osmotin gene increased toxin A production 10 fold. This studies could help to reduce the rate of resistance development and consequently in pest-resistance management.


Drug-Resistant Bacteria Found in 4-Million-Year-Old Cave

Microbes from pristine areas can battle modern medicine, study says.

Deep in the bowels of a pristine New Mexico cave, microbiologists have discovered nearly a hundred types of bacteria that can fight off modern antibiotic drugs.

The bacteria coat the walls of the Lechuguilla cave system on rock faces some 1,600 feet (487 meters) below Earth's surface. Until recently, the microscopic life-forms had encountered neither humans nor modern antibiotics.

That's because a thick dome of rock isolated the cave between four and seven million years ago. Any water that trickles through takes roughly ten thousand years to reach the cave's depths—which means the subterranean life has existed entirely in the absence of modern medicine.

While not infectious to humans, the cave bacteria can resist multiple classes of antibiotics, including new synthetic drugs. The discovery serves as an intriguing lead in the quest to understand how drug-resistant diseases emerge.

"Clinical microbiologists have been perplexed for the longest time. When you bring a new antibiotic into the hospital, resistance inevitably appears shortly thereafter, within months to years," said study leader Gerry Wright, a chemical biologist at McMaster University in Ontario.

"It's still a big question: Where is this coming from?" Wright said. "Almost no one thought to look at other bacteria, the ones that don't necessarily cause disease."

Lechuguilla is one of the deepest and most extensive cave systems in New Mexico's Carlsbad Caverns National Park. With at least 130 miles (209 kilometers) of mapped passages, Lechuguilla is also the planet's seventh longest known cave.

In 1984 cavers began digging through rubble in an old mining pit and found an entrance to the cave, which they had suspected might be there. The cavers broke through in 1986 to unveil one of the last environments on Earth untouched by human activity.

The U.S. National Park Service strictly limits entry to the cave, but since 2008 the agency has allowed geomicrobiologist Hazel Barton of Northern Kentucky University and her team into the cavern to sample its microbial life.

"Hazel sampled sites clearly not touched by humans before. Because it's so pristine, you can see where people—all of the people—have walked," Wright said. "It's a serious stretch of the imagination to think any of the sites sampled have seen significant impact by anything from the surface."

Barton scraped off and bagged samples of biofilms—thick mats of bacteria—growing on the cave walls and delivered them to Wright's laboratory, where his team spent three years probing the samples for any signs of antibiotic resistance.

Disease-causing bacteria have grown increasingly resistant to many of the dozens of classes of antibiotics used to fight them. Such strains, often called superbugs, can immobilize, chew up, or block natural and synthetic antibiotic compounds.

Superbugs almost always appear in hospitals and on animal farms, where antibiotic use is prevalent. In these environments, intense evolutionary pressure pushes microbes to quickly develop resistance to multiple drugs.

But how this happens is a frustrating problem, Wright said, considering that studies suggest the preponderance of antibiotic-fighting genes should have taken thousands or millions of years to emerge.

The answer may lie in the fact that bacteria regularly exchange, receive, or steal genes from other bacteria in their environments. Many microbiologists therefore suspect that nonpathogenic bacteria are acting as a vast pool of ancient resistance genes waiting to be transferred to pathogenic bacteria.

"It's kind of a thesis at this point: These benign environmental organisms are the root of resistance," Wright said.

"There are so many of them with so many resistance genes that could move horizontally through populations," either via sexual reproduction, transfer through viruses, or absorption of genetic scraps.

Diversity of Drug-Flighting Genes

The cave finding builds on Wright's previous work, in which he found bacteria with resistance genes in primordial soils untouched by humans, normal soils, and permafrost, noted microbiologist Julian Davies of the University of British Columbia, who wasn't involved in the study.

Those findings intrigued skeptics, but Wright wanted firmer evidence that antibiotic resistance genes are ancient and not a new microbiological fad.

"Now he's found them in these pristine caves," Davies said.

Wright's team managed to grow 500 different kinds of bacteria from the Lechuguilla caves, but only 93 grew in a medium that allows testing for resistance to 26 different antimicrobial agents.

Of those 93, about 70 percent resisted three to four classes of antibiotics. Three of these strains are distant relatives of the bacterium that creates anthrax spores—they fought off 14 of the 26 antibiotics.

"I honestly didn't expect to see the sheer diversity of genes fighting all of these different antimicrobial compounds," study leader Wright said.

Which Came First: Antibiotics, or Resistance?

Davies noted that Wright's team removed bacterial strains from a foreign environment, grew them in laboratory conditions, and then showed genes that can fight antibiotics—so the result may be a fortuitous byproduct of genes never designed to battle antibiotics.

"This tells us antibiotic resistance genes are very old, but what it doesn't tell us is how they find their way into the hospital," Davies said.

Stuart Levy, a physician and microbiologist at Tufts Medical School, said Wright's study should help researchers better understand the origins of antibiotic resistance, but he also agreed with Davies' points.

"Is resistance providing additional protection to organisms down there in the cave? Maybe it's something that looks like antibiotic resistance but really isn't," said Levy, who wasn't involved in the work.

"It's an issue of which came first, the chicken or the egg? Did microbes generate the antibiotics down there, then resistance developed, or is it the other way around?" The cave bacteria, the thinking goes, may generate natural antibiotics during "chemical warfare" with their microbial competition.

Until researchers can further probe the new microbe strains' genetics—and find any natural antibiotics lingering in the cave—the work should put clinicians on alert, study leader Wright said.

"Imagine I'm a pharmaceutical company about to invest a billion dollars researching a single antibiotic," Wright said. "This tells us I should check first to see if there are trivial ways pathogens might become resistant by looking at microbes outside of the hospital."


Scientists provide new insight on how bacteria share drug resistance genes

Researchers have been able to identify and track the exchange of genes among bacteria that allow them to become resistant to drugs, according to a new study published today in eLife.

The findings add to our understanding of how this exchange of genetic material, also known as horizontal gene transfer, happens in bacteria that cause infections in hospitals. They also highlight that while this transfer is likely to happen frequently, it is a complex process and challenging to study with current methods.

The horizontal gene transfer of mobile genetic elements allows otherwise harmless bacteria to hand off genes that provide resistance to antibiotics, turning them into drug-resistant 'superbugs'. This has led to significant problems in hospitals especially, where bacteria have harnessed the power of horizontal gene transfer to become resistant to both antibiotics and disinfectants, allowing them to cause severe infections in patients.

"The question of how to stop bacteria from exchanging drug resistance genes has challenged infectious disease researchers for decades," says first author Daniel Evans, Research Specialist in the Division of Infectious Diseases, University of Pittsburgh School of Medicine, Pittsburgh, US. "To tackle this challenge, we need to know where and how these genes are being shared in hospitals."

To investigate this, Evans and his team screened the genomes of more than 2,000 clinical bacterial isolates gathered from a single hospital over 18 months. The isolates were collected through the Enhanced Detection System for Hospital-Acquired Transmission project at the University of Pittsburgh.

Once the team had identified possible mobile genetic elements in the bacteria, they searched through the patient care data associated with the bacteria that had elements of interest to see whether horizontal transfer might have happened at the hospital.

Their results determined that many of the mobile elements found in the study were likely being shared among hospital bacteria. In one case, the team identified a plasmid—a circular piece of DNA found in bacterial cells—that encoded multidrug resistance and appeared to have been horizontally transferred between bacteria infecting two separate patients.

"Our work shows how bacterial whole-genome sequence data, which is increasingly being generated in clinical settings, gives us the opportunity to study horizontal gene transfer between drug-resistant bacteria in hospitals," concludes senior author Daria Van Tyne, Assistant Professor of Medicine in the Division of Infectious Diseases, University of Pittsburgh School of Medicine. "We hope these findings, along with future studies, will be useful for designing new strategies to prevent and control multidrug-resistant bacterial infections in patients."


Phage Therapy: A Renewed Approach to Combat Antibiotic-Resistant Bacteria

Phage therapy, long overshadowed by chemical antibiotics, is garnering renewed interest in Western medicine. This stems from the rise in frequency of multi-drug-resistant bacterial infections in humans. There also have been recent case reports of phage therapy demonstrating clinical utility in resolving these otherwise intractable infections. Nevertheless, bacteria can readily evolve phage resistance too, making it crucial for modern phage therapy to develop strategies to capitalize on this inevitability. Here, we review the history of phage therapy research. We compare and contrast phage therapy and chemical antibiotics, highlighting their potential synergies when used in combination. We also examine the use of animal models, case studies, and results from clinical trials. Throughout, we explore how the modern scientific community works to improve the reliability and success of phage therapy in the clinic and discuss how to properly evaluate the potential for phage therapy to combat antibiotic-resistant bacteria.


비디오 보기: რა სიურპრიზი გავუკეთე ნათიას? (팔월 2022).