Как выглядит кишечная палочка под микроскопом

Обновлено: 24.04.2024

Обзор

Герой февраля: кишечная палочка Escherichia coli

Автор

Редакторы

Скромная бактерия за полстолетия с момента ее открытия в конце XIX в. стала настоящей волшебной палочкой для молекулярной биологии. Сейчас результаты опытов с ее использованием занимают главы и тома профессиональных и популярных изданий. Конечно, в нашем путеводителе по модельным организмам E. coli должна была занять свое почетное место.

Двенадцать модельных организмов

Escherichia и Eschrichtius — Болезнь путешественников — Главная модельная бактерия — Учебник молекулярной генетики — Невезение с CRISPR/Cas

Рисунок 1а. Escherichia длиной 2 мкм

Рисунок 1б. Теодор Эшерих (1857–1911)

Рисунок 1в. Eschrichtius длиной 14 метров

Рисунок 1г. Даниэль Фредрик Эшрихт (1798–1863)

Клетки с относительно тонкой клеточной стенкой, не окрашивающиеся красителем генцианом фиолетовым (окраской бактерий по методу датского микробиолога Кристиана Грама).

Зачем же такую опасную бактерию сделали модельной? Дело в том, что в условиях культивирования кишечная палочка часто теряет патогенность, становится неспособной жить в естественных для себя условиях (то есть одомашнивается). И этим свойством в 1940-е годы воспользовались микробиологи, проведя с лабораторными штаммами E. coli (например, со знаменитым штаммом К12) много прорывных для науки экспериментов.

Так, манипулируя мутированными штаммами кишечной палочки, которые уже научились получать при помощи облучения, Джошуа Ледерберг и Эдуард Лаури Тейтем в 1947 году обнаружили способность разных штаммов обмениваться генетическим материалом и спасать друг друга от образовавшихся дефектов, проявлявшихся в неспособности расти на минимальной питательной среде. Так был открыт процесс конъюгации бактерий, который затем послужил важным инструментом для картирования бактериального генома . Ведь тогда это можно было делать только косвенными, микробиологическими методами — сама природа генетического кода была неизвестна.

Кстати, Джошуа Ледерберг был некоторое время мужем Эстер Ледерберг, первооткрывательницы бактериофага лямбда [3].

С начала 1950-х годов исследования по молекулярной генетике с использованием кишечной палочки и ее вирусов в качестве основного инструмента росли как снежный ком. Не будет преувеличением сказать, что к 70-м годам E. coli написала учебник молекулярной генетики! Вспомним открытие генетического кода, в котором участвовало несколько коллективов физиков и молекулярных биологов, в том числе Френсис Крик, Георгий Гамов и другие выдающиеся люди того времени [6]. Основные эксперименты по расшифровке кода велись на бесклеточных лизатах кишечной палочки.

Позднее обнаружилось, что E. coli хорошо подходит для зародившейся в 1960–1970-е годы биотехнологии [7]. Бактерия хорошо переносит введение в свою клетку гетерологичных (то есть чужеродных) генов и во многих случаях способна синтезировать их продукты без вреда для себя. Белки, полученные таким способом, стали называть рекомбинантными, и теперь они широко используются в медицине и других практических задачах.

Кишечная палочка — возможно, самый исследованный организм с точки зрения молекулярной биологии. Тем не менее у элементов ее генома до сих пор обнаруживают новые свойства. Это одновременно плохо (как же мало мы знаем!) и хорошо (будет чем заняться!). Совсем недавно на защите диссертации я услышал о том, как у одной из генных кассет эшерихии, участвующей в каскаде переработки сульфолипидов, также обнаружена и лактазная активность [8]. До этого такая активность была известна только у знаменитого лактозного оперона Жакоба и Моно, описанного в 1961 году!

Кажется, что E. coli — модельный организм без недостатков. Тем не менее биотехнологам не повезло, что у этой бактерии от природы нет системы бактериального иммунитета CRISPR/Cas [9], о которой я уже упоминал в эссе о бактериофаге лямбда [3]. Именно поэтому эту систему, ныне незаменимую в генной инженерии, открыли относительно поздно.

Кишечная палочка-выручалочка — это здорово (рис. 2). Но теперь пора переместиться в мир ядерных организмов. Удобным инструментом для молекулярной биологии и генетики эукариот оказались одноклеточные грибы — дрожжи — и гаплоидный плесневый гриб — нейроспора. Как они дошли до такой одноклеточной и гаплоидной жизни и что было открыто с их помощью — читайте в следующем материале нашего путеводителя по модельным организмам через месяц.

Благодарность

С помощью атомно-силовой микроскопии высокого разрешения ученым впервые удалось получить микрофотографии живой клетки E.coli в рекордно высоком разрешении и более подробно изучить архитектуру внешней мембраны. Оказалось, что белки внешней мембраны расположены гораздо более плотно, чем предполагалось ранее, и образуют статичную пористую структуру. А эластичность такой мембране придают скопления липополисахаридов, которые подобно каплям воды могут разделяться или сливаться. Эти данные могут помочь в будущем найти уязвимости грамотрицательных бактерий к антибиотикам. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Грамотрицательные бактерии, в том числе E.coli, окружены внешней мембраной, которая защищает клетку от иммунной системы животных, обеспечивает механическую стабильность клетки и не пропускает многие классы антибиотиков, которые наиболее эффективны именно внутри клетки. Мембрана с внутренней части состоит из фосфолипидов, а с внешней из липополисахаридов, в которых находятся белки внешней мембраны (разнообразные белки со структурой бета-цилиндра, чаще всего порины). Тем не менее, до сих пор не было ясно, как именно архитектура белков и липидов на поверхности клетки образует защитный барьер.

Группа ученых из Великобритании под руководством Джорджины Бенн (Georgina Benn) из Лондонского центра нанотехнологий с помощью атомно-силовой микроскопии получила фотографии поверхности живой клетки кишечной палочки в высоком разрешении , оценила структуру внешней мембраны и проследила динамику белковых и липополисахаридных доменов.

Чтобы получить изображение целой клетки в высоком разрешении, исследователи для начала сканировали отдельные ее части, а затем сопоставили отдельные фазовые сканирования, учитывая их положение и характеристики поверхности, и склеили их в единое изображение. Они обнаружили, что большая часть поверхности клетки пористая, а сами поры образованы тримерами порина. С помощью делеции гена активатора транскрипции поринов OmpF и OmpC выяснилось, что именно OmpF образует почти статичную плотную сеть, промежутки которой заполнены липополисахаридами, причем судя по всему в жидкой фазе, поэтому они способны сливаться друг с другом и разделяться. Они напоминают капли, которые на 0,5-1 нанометров выступают над сетью, образуя бугристую поверхность. Статическая природа пориновой сети примечательна, так как внешняя мембрана расширяется и перестраивается во время роста и деления клетки. Исследователи предполагают, что именно скопления липополисахаридов обеспечивают достаточную эластичность мембраны, которая не препятствует быстрому росту и делению клетки.

Внутри тримерной пориновой сети можно увидеть отдельные участки без пор. (A) Изображение АСМ, где пунктиром выделены области без пор (C) Последовательное изменение участков без пор за время деление клетки. Здесь отчетливо видно, что участки сливаются и разделяются.

Самое маленькое живое существо, видимое под микроскопом – микроб. Их размеры не больше 0,1 мм. Из-за этого микробиологи применяют электронные приборы, позволяющие делать фото таких бактерий и изучать их особенности.

Общие сведения о микробах

Микробы — самые древние жители планеты. Их земная история составляет более, чем 3,5 млрд. лет. А первый миллиард лет они на Земле были единственными живыми организмами. В человеческом теле соотношение микробов и наших собственных клеток 50/50. Большая часть микроорганизмов приносят организму пользу.

2 самые большие группы микробов – безъядерные прокариоты и эукариоты, содержащие в составе своей клетки ядро.

Общее количество микробов, населяющих Землю и их повсеместное распространение, делает их важнейшим звеном в поддержании равновесия земной биосферы.

По форме микробы различны:

Встречаются и многогранные микробы в форме звезд, треугольников и многогранников. Часть микробов неподвижна, но в основном эти микроорганизмы имеют жгутики и способны к движению.

Следующая классификация:

бактерии;
простейшие одноклеточные организмы, например – амебы;
микроскопические грибки.

Бактерии во рту

Полость рта – самая населенная бактериями область организма. Это связано с тем, что в этом месте подходящие условия для развития микробов: здесь тепло, постоянная влажность, а кислотность и насыщенность кислородом – самые наилучшие для микроорганизмов. Много во рту и всевозможных питательных веществ.

Постоянно здесь живет около 30 видов бактерий. Интересно, что видовой состав бактерий у человека не меняется, а количество каждого конкретного вида микробов на протяжении жизни может измениться. Основу микрофлоры составляют бактерии, среди которых 90% могут жить без кислорода.

Больше всего бактерий находится на спинке языка. Здесь образуется мельчайший налет, в 1 г которого можно найти почти 300 миллиардов бактерий. Второе любимое место жительства для большинства бактерий – поверхность зубов. Микробы под микроскопом (фото стрептококков, вызывающих ангину) позволяют увидеть их строение.

Те микробы, которые постоянно находятся в полости рта, взывают пародонтит и кариес. На сегодня кариесом болеют 95% людей.

Во рту человека постоянно находят такие бактерии:

Вейлонелла алкасенсес. Это микроб, приводящий к развитию инфекционных заболеваний.
Грибы Кандида. Более 100 видов таких грибов могут быть болезнетворными и нормальными, не вызывающими болезней.
Бактерии Лептотрикс, очень похожие на изогнутые палочки с острыми либо круглыми краями. Найти их можно в пришеечной зоне зубов. Эти бактерии формируют зубной камень и вызывают неприятный запах изо рта.
Коринебактерии, ведущие к развитию гнойных воспалений при заболеваниях десен или зубов.
Лактобактерии казеи. Эти микроорганизмы вырабатывают жирные кислоты. Именно они создают неприятный запах изо рта.
Трепонема зубная. Эта бактерия принимает участие в разрушении десен и напрямую зависит от гигиены полости рта.
Солобактерии Мура выступают причиной тяжелого гнилостного запаха в ротовой полости: они вырабатывают сероводород, который очень быстро испаряется и попадает в воздух выдоха.
Стрептококки, образующие цепочки шаровидных анаэробных бактерий.
Стафилококки, способные жить в воздухе и вызывать гнойные заражения. Они могут привести к воспалению легких, к тяжелейшей пневмонии и к общему сепсису.

Стрептококки и стафилококки

Далее приведено описание самых многочисленных бактерий, населяющих ротовую полость и кожу человека.

Стрептококки в ротовой полости

Самые первые из бактерий, которые попадают в ротовую полость младенца во время движения ребенка по родовым путям. На сегодня учеными выделены 17 видов стрептококков, содержащих С-антиген, и стрептококки, лишенные этого антигена. Именно микробы без такого антигена и вызывают кариес. Такие стрептококки есть в слюне и в карманах десен у всех без исключения людей.

Стрептококки могут стремительно разрастаться: для этого нужна температура в 37 градусов и глюкоза с углеводами. Поэтому во время ангин давать сладости больным детям не рекомендуется.

Стрептококки на коже

Попадают эти микроорганизмы на кожу человека несколькими путями:

С вдыхаемым воздухом или частичками пыли.
При контакте с зараженными предметами: детскими игрушкам, поручнями автобуса, денежными купюрами, книгами, чужой одеждой.
При рукопожатиях, прикосновениях.
Во время медицинских процедур, которые проводят нестерильными инструментами.
С почвы или с немытых фруктов либо во время еды грязными руками.

Инфекции проще закрепиться в организме, если он ослаблен. Это происходит, например, в таких случаях:

У ребенка еще не сформированы защитные силы, иммунитет слабый от рождения либо ослаблен по каким-то внешним причинам.
Сильно изменен кислотно-щелочной баланс кожи, который в норме составляет 5,2 — 5,5 единиц.
В организме есть гормональные сбои: именно гормоны отвечают за нормальное течение обменных процессов и жизнь клеток.
Кожа повреждена ранками, ссадинами, солнечными ожогами, укусами насекомых.

Стрептококк вызывает 2 серьезных поражения здоровья: рожистое воспаление и стрептодермию. Оба этих заболевания способны привести к заражению крови и к смерти. Стрептодермия имеет 3 вида: поверхностный, язвенный и глубокий.

Стаффилококки во рту

Эти продолговатые бактерии – вторые по численности жители полости рта. На фото микроскопа их скопления напоминают гроздь винограда. Излюбленное место скопления таких бактерий – зона у основания десен и налет на зубах. Размножаться такие микроорганизмы способны при температурах от 7 до 46 градусов. Но наиболее подходят для них 35-39 градусов тепла.

В условиях простой среды популяция стафилококков очень быстро разрастается. Расщепляя углеводы, они вырабатывают кислоту. Перерабатывают стафилококки и белки. Результатом такой переработки становится сероводород. Стафилококки ведут к быстрому развитию зубного налета.

Стаффилококки на коже

Такие бактерии обитают на коже и слизистых оболочках живых существ, на продуктах питания, бытовых вещах. Болезнь они вызывают только тогда, когда организм человека ослаблен, и сил противостоять микробам не находит. Пути распространения стафилококка стандартны: через воздух или при прямом контакте с кожей больного и предметами, на которых есть эти микробы.

Фото микроб стафилококков под микроскопом

Попадание стафилококка на кожу человека всегда болезненно. В месте заражения развивается отек, нагноение, болевой синдром и покраснение кожи. Основной показатель – всевозможная сыпь на коже.

Такая сыпь может выглядеть следующим образом:

абсцессы;
большие красные пятна;
волдыри с жидкостью внутри;
воспаления ногтевых фаланг;
прыщи;

На лице золотистый стафилококк вызывает огромное количество угрей. При появлении такие воспаления кожи выглядят как ярко-красные болезненные бугорочки. Через небольшое время в центре угря появляется белый гной. Еще позже такой гнойничок лопается, а на его месте остается маленькая ямка-шрам. На руках стафилококки чаще всего заражают ногтевые фаланги.

Признаки болезни такие:

нагноение в месте заражения;
опухоль и отек кожи;
сильная пульсирующая боль;
изменение цвета кожи и ногтевой пластинки.

На теле стафилококк может образовываться на любой части, но в большинстве случаев страдают спина, грудь и живот. В основном – это все те же угри с гноем в центре, но есть и более тяжелая форма: фурункулы.

В простонародье их называют чирьями. В центре фурункула длинный гнойный стержень. Этот стержень уходит в глубокие слои кожи. Фурункулы чаще всего возникают на месте сальных, потовых или волосяных желез. Еще одна форма заболевания стафилококками – рожистое воспаление кожи.

Выглядит оно так:

в месте воспаления начинается отек и повышается температура тела;
на коже появляется большое красное пятно;
иногда возникают прозрачные пузырьки, заполненные гнойной массой;
появляется много мелких точечных кровоизлияний.

Грибки на коже

На теле грибковые инфекции могут развиваться в любом месте: на голове, стопах, ягодицах или на ладонях.

Самыми распространенными формами являются такие:

Дерматофития: поражение глубоких слоев кожи, которое вызывается и дрожжевыми, и плесневыми грибами. Самое частое заболевание из серии грибковых. Такое заражение запускает воспалительный процесс и приводит к образованию пятен или бляшек розового или красного цвета. Размер таких бляшек – самый разнообразный. Грибы, вызывающие дерматофитию — постоянные жители волос и кожи. Они способны отлично поглощать и усваивать кератин волос и ногтей.
Кератомикоз: заболевание, поражающее верхний слой кожи. Симптомы болезни – твердые небольшие узелки на коже, которые наполнены гноем. Формы заболевания различны и включают в себя отрубевидный лишай, подмышечный трихомикоз и эритразму.
Глубокий микоз: болезнь настигает подкожную клетчатку, мышцы, суставы и кости, слизистую оболочку, ткани внутренних органов и части нервной системы. На коже при таком поражении появляются бородавки и глубокие свищи.
Кандидоз: инфекцию вызывают дрожжевые грибки. Места самого частого поражения на теле находятся в паховой области, в подмышечных впадинах и под женской грудью.

От места поражения и вида грибка зависит проявление болезни.

Кандиды и дерматофиты вызывают зуд, изменение цвета кожи на красно-синюшный, шелушение зараженных областей, перхоть и сухость волос, изменение цвета ногтей.

При микозе стопы, помимо шелушения кожи, возникают пузырьки до 2 мм в диаметре, заполненные жидкостью. Собираются такие пузырьки между пальцами ног. Неприятности больному доставляет и запах, появляющийся при распаде грибка. Часто такие заболевания человек получает в сауне или летом, при многочасовом ношении тесной обуви.

Попадая на кожу лица, грибки сначала поражают мертвые клетки эпителия. Если лечения не проводить, то начинается шелушение кожи, огрубение, появление красных или желтых пятен. При переходе в тяжелую стадию появляются гнойные очаги и язвы. Начинаются грибковые поражения внутренних органов.

На голове грибковые поражения приводят к выпадению волос, шелушение, перхоть, образование залысин.

Микробы на руках: как они выглядят под микроскопом

Микробы под микроскопом (фотография отражает их в огромном количестве) существуют даже у здорового ребенка. Малыш, чья ладонь на фото, лишь немного поиграл в доме и с собакой.

Снимок детской ладони, усеянной микробами:

Расшифровка снимка такова:

белые колонии микробов вокруг кончиков пальцев – стафилококки;
желтым цветом отмечены микрококки;
колонии, окрашенные розовым цветом – серратия.

Стафилококки и микрококки часто бывают безопасными и входят в естественную микрофлору человека. Серратия, напротив, может вызывать инфекции, особенно у ослабленных людей.

На руках, кроме уже упомянутых стрептококка, стафилококка и грибковых бактерий, можно найти такие микробы:

сальмонеллы, имеющие форму палочек длиной до 7 мкм и вызывающие кишечные инфекции, вплоть до тяжелого брюшного тифа;
кишечную палочку размерами 0,4—0,8 × 1—3 мкм, иногда приводящую пожилых людей и маленьких детей к смерти из-за общего отравления организма;
шигеллы, вызывающие дизентерию и припадки у детей;
шарикоподобные и не имеющие жгутиков бруцеллы, поражающие внутренние органы.

Микробы, которые живут под ногтями

В зоне под ногтями встречаются все виды бактерий, живущих на руках. Но концентрация таких микробов в сотни раз выше. Это связано с труднодоступностью пространства под ногтями для обработки дезинфицирующими и противовоспалительными средствами.

Интересно, что под искусственными накладными ногтями таких микробов в разы больше, чем под натуральными.

Постоянные жители организма, населяющие эту зону:

Сложность дезинфекции пальцев в том, что ногтевая пластинка надежно защищает эту часть тела от действия самых эффективных антибактериальных средств.

Бактерии, живущие в кишечнике

Ученые считают, что в кишечнике у человека живет более 2000 видов бактерий. В это число входят и полезные микроорганизмы, и микробы, приводящие к заболеваниям. Обще количество подсчитать трудно, но наука называет цифру до 100 триллионов. Если перевести эти цифры в вес, то от 200 г до 1 кг веса нашего тела приходится на кишечные бактерии.

Тонкий кишечник, по сравнению с толстым, содержит меньший набор бактерий: в этом месте организма более кислая среда, больше кислорода и антимикробных агентов. Поэтому в тонком кишечнике развиваются быстрорастущие организмы, способные агрессивно прикрепляться к его стенкам. Бактерии толстого кишечника отлично питаются: им достаются углеводы, не расщепленные в тонком кишечнике.

Основные функции полезных бактерий кишечника:

вырабатывают витамины В и К;
напрямую влияют на работу мозга, внутренних органов и психику;
помогают добывать больше энергии из принятой пищи;
повышают кишечный барьер;
помогают выработке желчных кислот;
разлагают токсичные вещества и клетки-канцерогены.

Основная масса кишечных бактерий – это фирмикуты и бактероиды.

Помимо бактерий из 2-х этих групп, составляющих до 90% всей кишечной микрофлоры, в кишечнике живут еще несколько популяций:

Актинобактерии, по форме напоминающие ветвящиеся нити.
Бифидобактерии, которые похожи на изогнутые палочки длиной до 5 мкм. Они обеспечивают борьбу с вредоносными гнилостными микробами.
Лактобациллы. Эти организмы вырабатывают из лактозы и углеводов молочную кислоту. Кислая среда, получаемая таким образом, мешает развитию вредоносных бактерий.
Протеобактерии. Эта группа включает почти треть всех известных бактерий, и разнообразна по форме, способности дышать и передвигаться. Есть и необходимые человеку протеобактерии, и такие, которые вызывают инфекции.

У детей микрофлора кишечника отличается в разные периоды жизни. У тех, кто находится на искусственном вскармливании, содержатся равные доли бактероидов и бифидобактерий. Дополняют комплект стафилококки и клостридии. Обязательна в этом случае и кишечная палочка.

У тех, кто питается материнским молоком, микрофлору составляют лактобациллы и стрептококки. Микробы под микроскопом (фото кишечных палочек, вызывающих бактериальную диарею) позволяют понять насколько они многочисленны.

Презентации для детей содержат снимки микробов, видимых на руках и на слизистой оболочке под микроскопом. Они помогают понять ребенку, для чего необходимо мыть руки, купаться либо чистить зубы, кушать мытые яблоки или не трогать бродячих котят. Фото этих микроорганизмов дополнены текстовыми фрагментами и звукорядом.

Оформление статьи: Владимир Великий

Видео о микробах

Микробы в капле грязной воды под микроскопом: