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在實驗室中進化的抗輻射大腸桿菌可以看到DNA修復

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-12-28瀏覽次數:1162

威斯康星大學麥迪遜分校生物化學系的科學家正在觀察實時發生的演變。

最近在線發表在細菌學雜志上的生物化學教授Michael Cox和他的團隊描述了使用電離輻射每周一次爆炸大腸桿菌,使細菌抵抗輻射。通過這樣做,他們發現了這種抗性背后的基因突變和機制。

研究結果揭示了抗輻射細菌可能在未來的各種應用中使用的方式,包括環境清理和癌癥放射治療期間有益腸道微生物的保護。

Cox的實驗室長期以來一直對DNA修復感興趣,DNA修復是一種細胞過程,其中所有生物都能夠重組DNA片段,這些片段被電離輻射等應力破壞。這種類型的輻射固有地具有高能量并且與核輻射和諸如鈾和釷的元素相關。宇航員也開始接觸太空中的這種輻射形式。在一些癌癥療法和一些醫學成像(例如X射線)中以較低劑量遇到它。

少數生物,主要是細菌,自然抵抗高水平的電離輻射。然而,許多是眾所周知的并且難以研究,并且對它們知之甚少,特別是與大腸桿菌相比。這導致考克斯的團隊轉向研究抗輻射細菌的另一種方式 - 自我進化。

他們在“定向”進化中的實驗很簡單。主要作者和博士后研究員Steven Bruckbauer將大腸桿菌分為四組。每周一次,他和一個本科研究人員團隊使用醫學物理系用電離輻射攻擊每個人群,直到99%的細胞死亡。然后他們培養文化中的幸存者 - 對輻射最有抵抗力的人之一。從這些細菌中生長的大多數新細菌攜帶有益的抗輻射突變。

“有許多突變可能與阻力無關,而且它們只是用于騎自行車,”考克斯解釋說。 “我們將人口分為四組,以便我們可以比較多個群體中的突變并檢查模式并嘗試確定輻射抗性的主要驅動因素。”

隨著時間的推移,隨著細菌變得耐藥,研究人員已經能夠提高它們對細菌的輻射水平。該研究深入研究了它們在50個循環后積累的突變(意味著細菌被照射了50次)。

美國能源部聯合基因組研究所的UW-Madison團隊的合作者進行的序列分析表明,幾種基因的突變導致大腸桿菌中更有效的DNA修復,這有助于提供抗性。另一種突變是RNA聚合酶,一種負責將RNA轉錄成DNA的酶,最終用于制造重要的蛋白質。

盡管整體機制,例如增強的DNA修復,與天然抗性細菌的機制相同,但是從未見過導致這些變化的許多突變。 Bruckbauer補充說,除了DNA修復和RNA聚合酶的變化外,還有新的抗藥性方法。

“這些抵抗機制正是我們所看到的,”他說。 “考慮到我們尚未發現或開發的新穎可能性令人興奮。在本質上,我們看到最終會有一些其他機制,但隨后新的機制可能會開始發展。

該團隊目前正在研究未來里程碑周期的遺傳學,以了解通過選定的125周期的細菌耐藥性。

雖然抗輻射細菌確實存在于自然界中,但它們對各種應用的有用性可能取決于它們的特定突變。考克斯解釋說,如果不了解突變以及它們如何增強細胞DNA修復系統,就很難設計細菌。

抗輻射細菌可以作為益生菌施用,以幫助減輕癌癥治療的一些副作用,并且可以幫助清理核廢料場所。此外,美國宇航局擔心宇航員會受到太空輻射,而考克斯的工作可能會找到一種更好地保護宇航員的機制。

“我們發現大腸桿菌和其他對輻射敏感的生物具有通過修飾一些現有DNA修復蛋白來提高抗輻射能力的潛力,”布魯克鮑爾說。 “據我們所知,沒有人在實驗室里做過這種抗輻射的事情。這是生活如何適應的一個很好的例子。”

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