Em formação

6: Genética Microbiana e a Evolução da Resistência aos Antibióticos - Biologia


O otimismo da década de 1960 sobre a "derrota" das doenças infecciosas durou pouco. Por exemplo, em menos de uma década, patogênica Staphylococcus aureus desenvolveram resistência à penicilina, antes considerada uma droga milagrosa. No final da década de 1980, um seleto grupo de cientistas se reuniu para fornecer evidências de que os "micróbios causadores de doenças do planeta, longe de serem derrotados, representavam ameaças cada vez maiores para a humanidade" (Garrett, A praga vindoura p5-6)

“‘ A natureza não é benigna ’(Joshua) Lederberg disse na abertura da reunião. Resumindo: as unidades de seleção natural - DNA, às vezes elementos de RNA - não são de forma alguma embaladas de forma ordenada em organismos distintos. Todos eles compartilham toda a biosfera. A sobrevivência da espécie humana não é um processo evolutivo predeterminado. Existem fontes abundantes de variação genética para vírus (e outros patógenos) para aprender novos truques, não necessariamente confinados ao que acontece rotineiramente, ou mesmo frequentemente. '”(Garrett p6)

O que Lederberg apreciou foi a contribuição da genética microbiana para a evolução de patógenos que poderiam "superar" drogas antimicrobianas e vacinas e para a evolução de novos patógenos.

DNA como a informação genética das células

Oswald Avery e colegas provaram que o DNA era a informação genética da bactéria em 1944. A estrutura do DNA foi revelada por Watson e Crick (usando informações fornecidas por Rosalind Franklin e Maurice Wilkins) em 1953. Eventualmente, foi revelado que o DNA é a informação genética de todos os organismos celulares. No entanto, nem todos os patógenos usam DNA como sua informação genética. Abaixo estão as exceções importantes:

  1. Prions: falta informação genética
  2. Vírus: use qualquer um dos DNA ou RNA como informação genética. Os vírus de RNA mudam ou sofrem mutação rapidamente, pois as enzimas que copiam seus genomas de RNA cometem muitos erros (exemplo do vírus da gripe)

Todos os organismos celulares (procariotas e eucariotas) usam DNA como seu Informação genética (ver fig 2.15 p 38-40 Belk’s Biologia)

O DNA é feito de cadeias de nucleotídeos que carregam 1 de 4 bases diferentes (nota: consulte o Apêndice 1 para a descrição da estrutura de nucleotídeos). A ordem das bases determina a ordem dos aminoácidos no produto proteico de um gene (consulte o Apêndice 2 para a descrição da transcrição e tradução, os processos envolvidos na conversão da sequência de base do DNA na sequência de aminoácidos das proteínas). A sequência de aminoácidos de uma proteína determina a forma da proteína e, portanto, a função da proteína. Se você alterar a sequência de bases do DNA, poderá alterar a sequência de aminoácidos da proteína do gene, o que pode alterar a forma da proteína e a função da proteína. Mudanças na sequência de bases do DNA são chamadas de mutações. As mutações ocorrem naturalmente / espontaneamente na natureza porque as enzimas responsáveis ​​pela cópia do DNA às vezes cometem erros. As mutações podem ser benéficas para as bactérias, por exemplo, as mutações podem permitir que uma bactéria resista à morte por um antibiótico ("resistência a antibióticos")

Replicação em bactérias

As bactérias se reproduzem crescendo e se dividindo em duas, um processo chamado fissão binária.

O à O + O

1 bactéria se divide em 2 bactérias = "fissão binária"

(ver fig 1.2 p469 Biologia de Belk) Biologia de Belk)

Antes de se dividir em duas, a célula-mãe copia seu DNA cromossômico para que cada célula-filha receba uma cópia. Uma vez que os descendentes são clones genéticos da célula-mãe, este processo é denominado “assexual (“Sem sexo”) reprodução ”.

Em teoria, as 2 “células-filhas” produzidas na fissão binária deveriam ser clones genéticos da célula “mãe” original. no entanto, as enzimas que copiam o DNA pai cometem erros que são repassados ​​às células-filhas, portanto, cada célula-filha carregará essas “mutações espontâneas”, a “argila” da diversidade genética, seleção natural e evolução.

Mutações e mecanismos que levam à resistência aos antibióticos

Evolução, Seleção Natural e Artificial

Unidade e Diversidade de Vida

Todos os organismos celulares compartilham certas características como resultado do compartilhamento (ou “descendência de”) um ancestral comum (as primeiras células procarióticas primitivas). No entanto, a incrível diversidade de organismos vivos é surpreendente. Como surgiu essa diversidade?

  • A diversidade da vida é explicada por evolução, uma mudança na composição genética de uma população de organismos.
  • A "matéria-prima" da evolução é variabilidade genética, as diferenças genéticas entre os indivíduos de uma população de organismos. Como surge a variabilidade genética?
  • A variabilidade genética surge através de mutações aleatórias, mudanças na sequência de ácido nucléico dos organismos. Essas mutações geralmente ocorrem quando as enzimas que copiam a informação genética antes da divisão da célula cometem um erro. Como exemplo, a enzima DNA polimerase deve copiar a sequência de DNA abaixo com precisão.

9Nota; regras de pares de bases complementares permitem a replicação precisa do DNA e a transcrição. As regras de emparelhamento de base são: pares de adenina com timina (ou uracila no RNA) e pares de citosina com guanina.

A ::: T e C ::: G onde ::: representam ligações de hidrogênio

O “emparelhamento” consiste na formação de ligações de hidrogênio que podem estabilizar a “dupla hélice” do DNA. Na replicação do DNA, uma das “velhas fitas-mãe” do DNA atua como um guia ou modelo para a síntese de uma nova fita “complementar” de DNA. Muito kool!

Abreviações de bases de DNA:

  • A = adenina
  • T = Timina
  • G = Guanina
  • C = citosina

Informação genética original, sequência de base de DNA de DNA de fita dupla

A-T- C- G- G

T- A- G- C- C

DNA original

A DNA polimerase deve fazer uma cópia precisa do DNA antes de a célula se dividir, de modo que cada célula "filha" receba uma cópia precisa da informação genética da célula-mãe:

A-T- C- G- G

T- A- G- C- C cópia 1

A-T- C- G- G /

Cópias da DNA polimerase T- A- G- C- C --- à

DNA original A-T- C- G- G

T- A- G- C- C

cópia 2

Quando a célula original se divide, ambas as células "filhas" receberão uma cópia do DNA, cópias exatas do DNA da célula "mãe"

A variabilidade genética ocorre quando a DNA polimerase comete um erro ao copiar o DNA original, conforme mostrado abaixo :

A-T- C- G- G

T- A- G- C- G * ,<-erro = mutação cópia 1

A-T- C- G- G /

Cópias da DNA polimerase T- A- G- C- C --- à

DNA original A-T- C- G- G

T- A- G- C- C

cópia 2

Neste caso, a DNA polimerase cometeu um erro na cópia # 1 (em vez de um “C”, usou um “G”). Isto é um mutação, uma mudança na sequência de DNA. Como resultado, o gene mutado pode codificar informações para uma variedade diferente de proteína. Esta proteína diferente pode alterar alguma característica da célula filha que recebe a cópia do DNA mutante. Este organismo mutante pode ser um competidor melhor comparado ao membro “normal, não mutante” de sua população (ou o mutante pode ser menos capaz de competir com seus colegas “normais”).

Se os recursos são limitados, “variantes” ou mutantes que são melhores competidores sobreviverão em maior número do que seus vizinhos não mutantes. Os mutantes terão mais descendentes do que os membros não mutantes da população, que são competidores mais fracos. A mutação que permitiu à variante competir melhor será passada para sua descendência. Com o tempo, a forma mutante da informação genética será carregada por uma proporção maior da população sobrevivente, outra forma de dizer que a frequência do gene mutante aumenta na população. Assim, o pool genético ou composição genética da população mudou ao longo do tempo e a população de organismos "evoluiu" (e o população torna-se melhor adaptado ao ambiente ao longo do tempo)

Este mecanismo que descreve "como" a evolução ocorre é chamado de "seleção natural”, Um conceito desenvolvido por Charles Darwin e Alfred Wallace em 1800. (Darwin e Wallace não foram as primeiras pessoas a descrever a evolução, mas foram os primeiros a descrever o processo de seleção natural).

A explicação de Darwin e Wallace da evolução por seleção natural é baseada em 5 suposições (fonte: Keeton e Gould’s Biologia 4ºedição, Norton Publishers)

  1. Muitos mais indivíduos nascem em cada geração do que sobreviverão e se reproduzirão (limitação de recursos ambientais, competição por recursos)
  2. Existe variação entre os indivíduos de uma população.
  3. Indivíduos com certas características têm melhor chance de sobreviver e se reproduzir do que indivíduos com outras características.
  4. Algumas das diferenças que resultam em sobrevivência e reprodução diferenciadas são hereditárias
  5. Vastos períodos de tempo estão disponíveis para mudanças

Seleção Natural em uma “casca de noz”

  1. Cada espécie produz mais descendentes do que pode sobreviver
  2. Os descendentes competem uns com os outros por recursos limitados
  3. Os organismos em cada população variam
  4. Organismos com características / variações mais favoráveis ​​têm maior probabilidade de sobreviver e produzir mais descendentes

Resultado:… ..conseqüentemente, os genes variantes “se espalham” pela população ao longo do tempo, a composição genética das mudanças populacionais e as mudanças / evoluem da população ao longo do tempo = ”Evolução

Seleção natural vs seleção artificial

Quando a "natureza" escolhe quais variantes são melhores na competição por recursos naturais e, portanto, sobreviverão e se reproduzirão em taxas mais altas do que outras variantes , Ocorre a “seleção natural”. No entanto, se os humanos criarem organismos seletivamente para características específicas, ou se os humanos mudarem propositalmente o ambiente (por exemplo, através do uso excessivo de antibióticos), “seleção artificial”Ocorre. O uso excessivo / incorreto de antibióticos em todo o mundo selecionou artificialmente para um número crescente de bactéria resistente a antibióticos.

Evolução de bactérias resistentes a antibióticos

Como as bactérias se reproduzem tão rapidamente, não leva “muito tempo” para que suas populações evoluam. A resistência aos antibióticos pode evoluir dentro de alguns anos (mesmo dentro de algumas semanas) em algumas populações de bactérias.

Mecanismos de resistência a antibióticos em bactérias:

  1. As mutações podem permitir a evolução de enzimas proteicas que destroem os antibióticos. Um exemplo é a enzima bacteriana beta-lactamase que destrói antibióticos beta-lactâmicos, como penicilina e ampicilina. Maioria Staphylococcus aureus carregam genes para a produção de beta-lactamases e, portanto, não são mortos na presença de penicilina.
  2. As mutações podem permitir a evolução de enzimas proteicas que modificam quimicamente os antibióticos ou alvos, inibindo a ação dos antibióticos
  3. As mutações alteram o alvo do antibiótico, de modo que o antibiótico não pode mais se ligar e inibir a função da proteína
  4. As mutações permitem a evolução de "bombas" bacterianas que bombeiam antibióticos especificamente se eles entrarem na bactéria

Transferência horizontal de genes em bactérias

Embora as bactérias se reproduzam assexuadamente, elas são muito promíscuo-Eles adoram compartilhar informações genéticas com seus vizinhos. Desta forma, as bactérias podem compartilhar suas mutações umas com as outras. Esse compartilhamento de informações genéticas com vizinhos é chamado de “transferência horizontal de genes ” e é outra razão pela qual a resistência aos antibióticos se espalhou tão rapidamente entre as bactérias.

3 maneiras diferentes pelas quais as bactérias compartilham informações genéticas.

  1. Conjugação: bactérias fazem contato físico uns com os outros (alguns usando conjugação / pili sexual) e transferir DNA de uma bactéria doadora para uma bactéria receptora.
  2. Transdução: uma vírus bacteriano chamado de “bacteriófago”Transfere DNA de uma bactéria doadora para uma bactéria receptora.
  3. Transformação: transferência de "DNA nu”De um doador para uma bactéria receptora. Algumas bactérias produzem proteínas de ligação ao DNA em suas superfícies. Essas proteínas de ligação ao DNA podem se ligar a “DNA nu” no ambiente e, em seguida, passar o DNA para o interior da bactéria. As células bacterianas que podem ser transformadas são chamadas de “células competentes”.

Preocupações adicionais com relação a bactérias resistentes a antibióticos e a seleção e disseminação de genes de resistência a antibióticos

Plasmídeos “R” e patógenos bacterianos resistentes a múltiplas drogas: Os plasmídeos são estruturas circulares de DNA fora do cromossomo (assim descritos como “extracromossômicos”) que carregam informações genéticas extras. De grande preocupação são os plasmídeos que carregam genes de resistência a antibióticos. Esses plasmídeos são chamados de plasmídeos de “resistência” ou plasmídeos “R”. Alguns plasmídeos R podem carregar vários genes (até 8) para resistência a antibióticos a várias classes diferentes de antibióticos. Os plasmídeos R podem ser rapidamente compartilhados entre bactérias, mesmo entre diferentes espécies de bactérias. A exposição crônica (de longo prazo) a baixos níveis de antibióticos pode selecionar a microbiota bacteriana normal carregando plasmídeos R. Consequentemente, esses plasmídeos R podem ser transferidos para bactérias patogênicas, como Salmonella ou Shigella.

Infecções nosocomiais e resistência a antibióticos: As infecções nosocomiais são infecções adquiridas em um estabelecimento de saúde, como um hospital. Muitas infecções bacterianas nosocomiais são causadas por bactérias resistentes a antibióticos. Porque?

Lembre-se da discussão sobre evolução, seleção natural e artificial (Apêndice 3) que o uso de antibióticos pode selecionar bactérias resistentes a antibióticos. Conseqüentemente, preveríamos que ambientes nos quais altos níveis de antibióticos são usados ​​selecionariam para alta prevalência de bactérias resistentes a antibióticos.

Problemas com antibióticos de baixo nível na alimentação de gado / aves: Freqüentemente, baixos níveis de antibióticos são adicionados às rações para melhorar a “eficiência do ganho de peso” (a quantidade de peso ganho por quilo de ração). Essa prática seleciona bactérias resistentes a antibióticos entre a microbiota normal desses animais. Os genes de resistência a antibióticos podem então ser transferidos para patógenos bacterianos que subsequentemente contaminam carne / leite / produtos avícolas consumidos por humanos. Os humanos podem ficar doentes com essas bactérias resistentes, dificultando o tratamento bem-sucedido. As nações europeias que proibiram o uso de antibióticos na alimentação animal notaram subsequentemente uma diminuição na resistência aos antibióticos entre patógenos bacterianos humanos

Problemas com terapia inadequada de antibióticos de amplo espectro em humanos: Os antibióticos de amplo espectro matam uma ampla gama de bactérias, tanto as bactérias “boas” quanto as “más”. As "bactérias boas" do corpo competem com os patógenos invasores por locais de fixação e nutrientes e, portanto, são parte de nossas defesas naturais contra patógenos invasores. Se as pessoas perderem essa linha de defesa por meio do uso / abuso de antibióticos de amplo espectro, correm maior risco de infecções por patógenos bacterianos resistentes a antibióticos (reduz a dose infecciosa quando a microbiota normal é interrompida) ou infecções fúngicas (ex-infecções por fungos por Candida albicans, um fungo que não é morto por antibióticos - infecções vaginais por fungos, infecções orais / ”sapinhos”, “assaduras”, infecções anais)

Mania antibacteriana: Triclosan e “Triclo-insanidade”: O triclosan é um agente antibacteriano de choupo incorporado em brinquedos, tábuas de cortar e utensílios de cozinha (até mesmo em alguns cremes dentais!). Pertence ao grupo fenólico dos antimicrobianos e inibe uma enzima envolvida na síntese bacteriana de ácidos graxos; conseqüentemente, as membranas das células bacterianas tornam-se “vazadas”, levando à morte bacteriana.

Cientistas de saúde pública estão preocupados que a superabundância de triclosan em nosso ambiente selecione bactérias resistentes - alguns temem que bactérias multirresistentes sejam selecionadas.

Idealmente, quando possível, água e sabão quentes ainda são a melhor maneira de livrar as superfícies do corpo de patógenos.

O triclosan não mata todos os patógenos, mas a lavagem pode eliminar todos os patógenos.

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Discussão em classe: Estratégias para reduzir a seleção de bactérias resistentes a antibióticos:

1.

2.

3.

4.

5.

Nota de rodapé sobre mutações e vírus:

Evolução de cepas variantes de vírus de RNA: HIV e influenza

Todos os organismos celulares têm DNA como sua informação genética. A enzima que copia o DNA, o Polimerases de DNA, tenho "alta fidelidade”, Eles cometem relativamente poucos erros porque têm a capacidade de“editar ou revisar”Seu trabalho e corrigir muitos de seus erros. As taxas de erro da DNA polimerase são de aproximadamente um nucleotídeo incorreto por 108-109 nucleotídeos.

Em contraste, alguns tipos de vírus (patógenos acelulares) usam o RNA como sua informação genética. As enzimas que copiam o RNA, o RNA polimerases, não têm a capacidade de corrigir erros, portanto, as RNA polimerases têm uma taxa de erro muito alta (um nucleotídeo incorreto a cada 104-105 nucleotídeos). Conseqüentemente, muitos vírus de RNA, como o vírus da influenza e o HIV, têm taxas de mutação muito altas, portanto, as “populações” de vírus do HIV e da influenza evoluem rapidamente. A alta taxa de mutação desses vírus resulta em rápida resistência aos medicamentos e enormes desafios na produção de vacinas.

Guia de estudo de genética microbiana

1. Quais foram as duas razões para o tremendo otimismo dos médicos ocidentais nas décadas de 1950-1960?

2. Quando a estrutura do DNA foi descrita pela primeira vez e por quem?

3. Qual é a função do DNA?

4. A sequência de base / nucleotídeo do DNA determina a sequência de aminoácidos específica das proteínas, portanto, a forma e a função das proteínas.

- como é chamada uma mudança na sequência de DNA?

-mutações podem levar à evolução de quais características benéficas para patógenos bacterianos (do “ponto de vista” dos patógenos)?

5. Descreva 3 maneiras diferentes pelas quais as bactérias podem resistir aos antibióticos

6. Em bactérias, o que é “transferência horizontal de genes”?

- ser capaz de reconhecer definições para o seguinte:

conjugação

transdução

transformação

7. Por que a resistência aos antibióticos se espalha tão rapidamente entre as bactérias?

8. Por que o uso excessivo ou inadequado de antibióticos contribui para a disseminação da resistência aos antibióticos entre as bactérias? Fornece exemplos

Apêndice 1 Estrutura do ácido nucléico das células: DNA e RNA

Estrutura do DNA, estrutura do nucleotídeo

O DNA dos cromossomos é uma bela “dupla hélice”; 2 cadeias de DNA são mantidas juntas por atrações químicas

Cada cadeia de DNA é feita de nucleotídeos ligados por fortes ligações químicas.

Cada nucleotídeo de DNA consiste em 3 partes (figura 1 abaixo):

uma. um açúcar chamado desoxirribose

b. um grupo fosfato

c. uma das 4 bases nitrogenadas:

- as bases nitrogenadas do DNA são adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C)

-adenina pode formar ligações de hidrogênio com timina A: T e

a guanina pode formar ligações de hidrogênio com a citosina G: C

  • as “regras de emparelhamento” acima são oficialmente chamadas de “regras de emparelhamento de base complementar”
  • ligações de hidrogênio entre "bases complementares" nas 2 fitas de DNA irmãs mantêm as 2 fitas ou cadeias de DNA juntas no cromossomo
  • o par de bases complementares também permite a replicação precisa do DNA, e sua transcrição

Figura 2: A * “dupla hélice” do DNA cromossômico. Uma única fita de DNA consiste em uma cadeia ou polímero de nucleotídeos individuais unidos por fortes ligações químicas. Cada nucleotídeo carrega uma das 4 “bases”, as “letras” do alfabeto do DNA. 3 bases específicas constituem as “palavras” (ou “códons”) da linguagem do DNA. Cada palavra ou códon do DNA especifica um dos 20 aminoácidos que a célula usa para construir proteínas. Portanto, a sequência de bases do DNA determina a sequência de aminoácidos das proteínas celulares. Por sua vez, a sequência de aminoácidos das proteínas determina como a proteína se dobrará e a forma final da proteína. A forma / estrutura da proteína determina sua função.

* (As 2 fitas de DNA são mantidas juntas por forças de atração fracas entre as bases "complementares"; adenina para timina A: T e guanina para citosina, G: C)

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RNA, segundo ácido nucleico das células

O RNA é o segundo ácido nucléico encontrado nas células. Ele desempenha um papel importante no processo no qual as informações do DNA são eventualmente processadas em informações de proteínas. O RNA desempenha pelo menos 3 funções nas células.

  1. O RNA atua como um "mensageiro" celular como mRNA, para entregar informações codificadas no DNA para ribossomos para tradução em proteínas
  2. O RNA atua como o "tradutor" celular como RNA de transferência ou tRNA, entregando o aminoácido correto ao ribossomo enquanto o mRNA é "lido"
  3. O RNA é um componente dos ribossomos como rRNA ou RNA ribossômico (na verdade, é o rRNA que catalisa a formação de ligações químicas entre os aminoácidos à medida que os ribossomos lêem o mRNA e produzem proteínas).

O RNA é semelhante ao DNA no sentido de que o RNA é formado por uma cadeia de nucleotídeos. No entanto, o RNA nas células é encontrado como uma única fita e as partes dos nucleotídeos do RNA diferem dos nucleotídeos do DNA.

Os nucleotídeos de RNA consistem em:

uma. um açúcar chamado ribose

b. um fosfato

c. uma base nitrogenada: as bases nitrogenadas do RNA são as mesmas do DNA, EXCETO no RNA, o uracil substitui a timina.

Emparelhamento de bases complementares de RNA:

A: U e G: C

RNA como informação genética em alguns vírus

Lembre-se de que os vírus acelulares contêm DNA ou RNA, mas não ambos. Alguns vírus usam o RNA como sua informação genética e, portanto, são chamados de “vírus de RNA”. Exemplos de vírus de RNA incluem vírus influenza, vírus do Nilo Ocidental e HIV. Infelizmente, as enzimas que copiam o RNA cometem muito mais erros do que as enzimas que copiam o DNA. Consequentemente, alguns vírus de RNA têm taxas de mutação muito altas, como visto com os vírus da gripe e HIV. Como conseqüência, é um desafio desenvolver vacinas contra todas as cepas mutantes e os vírus podem desenvolver resistência rapidamente aos medicamentos antivirais, tornando o tratamento muito difícil.

Apêndice 2: Expressão gênica de DNA para proteínas: transcrição e tradução

As bases do DNA são o alfabeto genético da célula. Cada combinação de 3 bases específicas (chamadas códons) são as “palavras” genéticas da célula. Esses códons ou palavras genéticas codificam informações para um aminoácido específico. Portanto, uma sequência específica de bases de DNA em um gene codifica informações para a sequência específica de aminoácidos em uma proteína. A sequência específica de aminoácidos determina como uma proteína se dobrará e, finalmente, a forma / estrutura da proteína. A forma / estrutura da proteína, por sua vez, determina a função da proteína. Dessa forma, o DNA codifica informações para a produção de todas as proteínas de uma célula. Muitas das proteínas da célula funcionarão como enzimas que farão TODOS os outros componentes da célula (carboidratos, lipídios, ácidos nucléicos).

As células, entretanto, não podem traduzir diretamente as informações de uma sequência de bases de DNA na sequência de aminoácidos de proteínas. Em vez disso, um mensageiro carrega informações do DNA para as fábricas de síntese de proteínas, os ribossomos celulares. Esses mensageiros são chamados de RNA mensageiro ou “mRNA”.

Transcrição

DNA ---- à mRNA

transcrição

O processo pelo qual o mRNA complementar é formado usando DNA como molde é chamado de “transcrição” e é realizado por uma enzima chamada “RNA polimerase”. É importante notar que as RNA polimerases cometem muitos erros ao copiar o DNA em mRNA, erros que não podem “consertar”.

A transcrição é possível devido às regras de emparelhamento de bases complementares entre bases de DNA e bases de RNA

Pares de bases de DNA com base de RNA:

A: U

T: A

G: C

Observe que a transcrição é a conversão de uma linguagem de ácido nucleico (linguagem de DNA) para outra linguagem de ácido nucleico (linguagem de RNA)

Tradução

mRNA - à proteína

tradução

Uma vez que o mRNA é formado, os ribossomos irão anexar em locais específicos no mRNA e começar a “ler” ou traduzir o mRNA em proteínas. (tradução porque estamos mudando da linguagem do ácido nucleico em que os nucleotídeos ou bases formam "palavras" para a linguagem da proteína na qual os aminoácidos formam "palavras" - novo alfabeto!)

Expressão genetica ou o processo de usar DNA para fazer proteínas pode ser resumido como abaixo:

DNA-uma mRNA ---uma proteína

transcriçãouma tradução

Tradução e o “Código Genético”

O Código Genético é a relação entre a sequência de bases nitrogenadas do ácido nucleico e aminoácidos específicos.

As sequências de base de ácido nucleico são lidas como "tripletos", cada "tripleto" é chamado de códon.

Quando o DNA é transcrito em RNA, um RNA especial chamado RNA mensageiro ou mRNA carrega as sequências de códons para os ribossomos, a "bancada bioquímica" (conforme descrito pelo Prof Naganuma) na qual o mRNA será traduzido em uma cadeia específica de aminoácidos. A verdadeira molécula tradutora da célula é outro tipo de RNA, denominado RNA de transferência ou “tRNA”. Uma extremidade de cada tRNA reconhece códons de mRNA complementares. Cada tRNA carrega seu aminoácido específico (os tRNAs são "carregados" com seus aminoácidos corretos por enzimas especiais na célula). Uma vez que o tRNA traz o aminoácido correto para o mRNA no ribossomo, o ribossomo catalisa a formação de ligações químicas entre os aminoácidos. De certa forma, o ribossomo “lê” o mRNA com a ajuda do tRNA. Como resultado desse processo de tradução, um mRNA com uma sequência específica de bases nitrogenadas será traduzido em uma cadeia de aminoácidos em sequência específica. Uma vez que esses "polipeptídeos" / proteínas são formados, eles se dobram em formas complexas, suas "conformações funcionais" e, assim, começam suas funções celulares.

Exemplo: transcrição e tradução

Sequência de DNA TAC AAC GGT CAC DNA

-Transcrito para

Complementar

sequência de mRNA ARNm de AUG UUG CCA GUG

-Traduzido em

aminoácido específico

seqüência proteína metionina-leucina-prolina-valina


Sobre a resistência a antibióticos

A resistência aos antibióticos ocorre quando germes como bactérias e fungos desenvolvem a capacidade de derrotar as drogas destinadas a matá-los. Isso significa que os germes não são mortos e continuam a crescer.

As infecções causadas por germes resistentes a antibióticos são difíceis e, às vezes, impossíveis de tratar. Na maioria dos casos, as infecções resistentes a antibióticos requerem internações prolongadas em hospitais, consultas médicas adicionais de acompanhamento e alternativas tóxicas e caras.

A resistência aos antibióticos não significa que o corpo está se tornando resistente aos antibióticos, mas sim que as bactérias se tornaram resistentes aos antibióticos projetados para matá-las.

A resistência aos antibióticos ameaça a todos

No site do CDC & rsquos, a resistência a antibióticos também é conhecida como resistência antimicrobiana ou resistência a medicamentos.

A resistência aos antibióticos tem o potencial de afetar pessoas em qualquer fase da vida, bem como as indústrias de saúde, veterinária e agricultura, tornando-se um dos problemas de saúde pública mais urgentes do mundo.

A cada ano nos EUA, pelo menos 2,8 milhões de pessoas são infectadas com bactérias ou fungos resistentes a antibióticos, e mais de 35.000 pessoas morrem como resultado.

Ninguém pode evitar completamente o risco de infecções resistentes, mas algumas pessoas correm maior risco do que outras (por exemplo, pessoas com doenças crônicas). Se os antibióticos perdem sua eficácia, perdemos a capacidade de tratar infecções e controlar as ameaças à saúde pública.

Muitos avanços médicos dependem da capacidade de combater infecções usando antibióticos, incluindo substituições de articulações, transplantes de órgãos, terapia de câncer e tratamento de doenças crônicas como diabetes, asma e artrite reumatóide.

Breve História de Resistência e Antibióticos

Saiba como o CDC está liderando os esforços para combater a resistência aos antibióticos por meio da Antibiotic Resistance Solutions Initiative.

A penicilina, o primeiro antibiótico comercializado, foi descoberta em 1928 por Alexander Fleming. Desde então, tem havido descoberta e reconhecimento de resistência junto com a descoberta de novos antibióticos. Na verdade, os germes sempre procurarão maneiras de sobreviver e resistir a novos medicamentos. Cada vez mais, os germes estão compartilhando sua resistência uns com os outros, tornando mais difícil para nós acompanhar.

Selecione os germes que mostram resistência ao longo do tempo

Resistente à penicilina Staphylococcus aureus

Resistente à penicilina Streptococcus pneumoniae

Produtor de penicilinase Neisseria gonorrhoeae

Resistente à vancomicina Staphylococcus aureus

Encontre mais informações sobre o desenvolvimento de resistência a antibióticos no último Relatório de ameaças de AR.


Resumo

Os microplásticos (MPs) são onipresentes e servem como vetores para outros contaminantes, e o inevitável processo de envelhecimento altera as propriedades e destinos do MP. No entanto, se os MPs no processo de envelhecimento afetam os destinos do gene de resistência a antibióticos (ARGs) em ambientes aquáticos é pouco conhecido. Aqui, a alteração da propriedade físico-química de MPs sendo envelhecidos em lixiviado de aterro, um importante reservatório de MPs e ARGs, foi investigada, e a evolução da comunidade microbiana e a ocorrência de ARGs da superfície de MP durante o processo de envelhecimento foram analisadas. O processo de envelhecimento alterou notavelmente as propriedades da superfície, incluindo o aumento de áreas de superfície específicas, causando a formação de grupos contendo oxigênio e alterando a morfologia da superfície, o que aumentou ainda mais a probabilidade de colonização microbiana. A assembléia bacteriana em MPs mostrou maior formação de biofilme e potencial patogênico em comparação ao lixiviado. Os resultados da quantificação de ARGs sugeriram que os MPs exibiram enriquecimento seletivo para ARGs em uma proporção de 5,7–10 3 vezes, e o processo de envelhecimento aumentou o potencial de enriquecimento. Outras redes de co-ocorrência sugeriram que a existência de relações ARGs-táxons bacterianas não aleatórias, mais próximas e estáveis ​​na superfície de MP afetou a transmissão de ARG. O estudo da partição de ARG em MPs indicou que o DNA extracelular era um reservatório não desprezível de ARGs anexado à superfície de MP e que a comunidade bacteriana do biofilme influenciou o padrão de partição dos ARGs durante o processo de envelhecimento. Este estudo confirmou que o processo de envelhecimento pode aumentar o potencial dos MPs como vetores para os ARGs, o que promoveria a compreensão holística do comportamento e do risco dos MPs em ambientes naturais.


Resistência Antimicrobiana em Escherichia coli

Resistência a múltiplas drogas em Escherichia coli tornou-se uma questão preocupante e cada vez mais observada em humanos, mas também na medicina veterinária em todo o mundo. E. coli é intrinsecamente suscetível a quase todos os agentes antimicrobianos clinicamente relevantes, mas essa espécie bacteriana tem grande capacidade de acumular genes de resistência, principalmente por meio de transferência horizontal de genes. Os mecanismos mais problemáticos em E. coli correspondem à aquisição de genes que codificam para β-lactamases de espectro estendido (conferindo resistência a cefalosporinas de amplo espectro), carbapenemases (conferindo resistência a carbapenêmicos), 16S rRNA metilases (conferindo resistência pan a aminoglicosídeos), resistência a quinolonas mediada por plasmídeo ( PMQR) genes (conferindo resistência a [fluoro] quinolonas), e mcr genes (que conferem resistência às polimixinas). Embora a disseminação dos genes da carbapenemase tenha sido reconhecida principalmente no setor humano, mas pouco reconhecida em animais, a resistência à colistina em E. coli parece estar mais relacionado ao uso de colistina na medicina veterinária em escala global. Para os outros traços de resistência, sua transferência cruzada entre os setores humano e animal ainda permanece controversa, embora as investigações genômicas indiquem que os produtores de β-lactamase de espectro estendido encontrados em animais são distintos daqueles que afetam humanos. Além disso, E. coli de origem animal frequentemente também apresentam resistência a outros agentes antimicrobianos - principalmente mais antigos, incluindo tetraciclinas, fenicóis, sulfonamidas, trimetoprima e fosfomicina. Plasmídeos, especialmente plasmídeos de multirresistência, mas também outros elementos genéticos móveis, como transposons e cassetes de genes em integrons de classe 1 e 2, parecem desempenhar um papel importante na disseminação de genes de resistência. Of note, coselection and persistence of resistances to critically important antimicrobial agents in human medicine also occurs through the massive use of antimicrobial agents in veterinary medicine, such as tetracyclines or sulfonamides, as long as all those determinants are located on the same genetic elements.


Scope & Mission

Frontiers in Cellular and Infection Microbiology is a leading specialty journal, publishing rigorously peer-reviewed research across all pathogenic microorganisms and their interaction with their hosts. Chief Editor Yousef Abu Kwaik, University of Louisville is supported by an outstanding Editorial Board of international experts. This multidisciplinary open-access journal is at the forefront of disseminating and communicating scientific knowledge and impactful discoveries to researchers, academics, clinicians and the public worldwide.

Frontiers in Cellular and Infection Microbiology includes research on bacteria, fungi, parasites, viruses, endosymbionts, prions and all microbial pathogens as well as the microbiota and its effect on health and disease in various hosts. The research approaches include molecular microbiology, cellular microbiology, gene regulation, proteomics, signal transduction, pathogenic evolution, genomics, structural biology, and virulence factors as well as model hosts. Areas of research to counteract infectious agents by the host include the host innate and adaptive immune responses as well as metabolic restrictions to various pathogenic microorganisms, vaccine design and development against various pathogenic microorganisms, and the mechanisms of antibiotic resistance and its countermeasures.

One of our major purposes is to accelerate scientific communication of high quality research findings, with worldwide open and free access to these findings. Our open-access approach will stimulate research activity and advance scientific knowledge in this field and related ones throughout the world.

Frontiers in Cellular and Infection Microbiology is member of the Committee on Publication Ethics.


Supplementary Information

Supplementary Figs. 1–11, Table 1 and Note 1.

Reporting Summary

Peer Review Information

Supplementary Data 1

Species abundance profile across samples from the different cohorts.

Supplementary Data 2

Differentially abundant species in recoverers versus non-recoverers.

Supplementary Data 3

Inferred metabolic pathway abundances across samples from the different cohorts.

Supplementary Data 4

Inferred CAZyme abundances across samples from the different cohorts.

Supplementary Data 5

PTR values for different species and the computed community growth rate per sample from the different cohorts.

Supplementary Data 6

Microbial dependency relationships in the gut microbiome predicted via association rule mining on the MEDUSA database.

Supplementary Data 7

Metabolic support index values for interactions between various RAB species and the corresponding top 10% of interactions.


Making connections across concepts in microbiology

  • NEW - Key Concept statements at the start of each major part of a chapter give students a big picture view of the content before they dive in and immerse themselves in the details.
  • NEW - References back to content earlier in the text in every chapter, remind students what they learned in earlier chapters so they better understand what they are learning now.
  • NEW - Additional Explore the Microbial World features give students a feel for special topics in Microbiology and fuel their curiosity.
  • Evolution as a Framework uses evolution as an overarching theme to unite microbiological concepts and provide a framework upon which students can build their knowledge.

Current coverage of the science of molecular biology and the genomic revolution

  • NEW - 34 MicrobiologyNow chapter-opening vignettes created for this edition introduce each chapter’s theme through a recent discovery in the field of microbiology. These exciting accounts draw students into the chapter and show how the chapter content connects with real world problems. Assignable MicrobiologyNow coaching activities are available in Mastering Microbiology.
  • NEW - Immunotherapy section covers the hottest thing in cancer treatment and related therapeutic medicine today with an emphasis on new discussion of the likely links between disorders of the microbiome and specific syndromes.
  • NEW - Chapter on the human microbiome now includes a new section on the human virome, describing how metagenomics is aiding the discovery and isolation of many new viruses. Extensive coverage is provided of the impact of early life events on the development of the newborn gut microbiome and of recent successes in probiotic therapy for preventing newborn intestinal diseases.
  • UPDATED - 21st Century Microbiology content covers global climate change, biofuels, and microbial fuel cells.

Deepen student understanding of the microbial world

  • NEW - Stunningly visual introductory chapter on viruses in Unit I (The Foundations of Microbiology) bolsters and completes the overview of the microbial world with basic principles of microbiology that all students need to master.
  • Molecular Microbiology and Immunology chapters deepen discussion of eukaryotic and archaeal genetics and reflects the relatedness of genetic information flow. A streamlined discussion of immunity with enhanced detail between innate and adaptive linkages helps students grasp the complexity and specificity of immune responses.

Mastering™ is the teaching and learning platform that empowers you to reach cada student. By combining trusted author content with digital tools developed to engage students and emulate the office-hour experience, Mastering personalizes learning and improves results for each student. Mastering Microbiology extends learning and provides students with a platform to practice, learn, and apply knowledge outside of the classroom. Learn more about Mastering Microbiology.

Teach your course your way: Your course is unique. So whether you’d like to build your own auto-graded assignments, foster student engagement during class, or give students anytime, anywhere access, Mastering gives you the flexibility to easily create your course to fit your precisa.

  • Dynamic Study Modules are assignable modules that pose a series of question sets about a course topic. The questions adapt to each student’s performance and offer personalized, targeted feedback to help them master key concepts. As a result, students build the confidence they need to deepen their understanding, participate meaningfully, and perform better – in and out of class. Students can use their computer or the MyLab and Mastering app to access Dynamic Study Modules. Available for select titles.
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Empower each learner: Each student learns at a different pace. Personalized learning, including adaptive tools and wrong-answer feedback, pinpoints the precise areas where each student needs practice and gives all students the support they need – when and where they need it – to be successful.

  • NEW - Pearson eText is a simple-to-use, mobile-optimized, personalized reading experience available within Mastering. It allows students to easily highlight, take notes, and review key vocabulary all in one place–even when offline. Seamlessly integrated videos and other rich media engage students and give them access to the help they need, when they need it.
  • NEW - MicrobiologyNow Coaching Activities correlate with each chapter-opening vignette that introduced each chapter’s theme through a recent discovery in the field of microbiology and can be assigned in Mastering Microbiology.
  • MicroCareers Coaching Activities provide students an opportunity to investigate microbiology principles and diseases from the perspective of various careers.
  • Clinical Case Study Coaching Activities help students connect microbiological theory to real-world diagnosis and treatment, allowing them to put their knowledge into practice and think like a nurse.
  • ASM Curriculum Guidelines pre-test and post-test assessments are assignable in Mastering Microbiology for efficient and customizable assessment of the six underlying concepts and 22 related topics of lasting importance as determined by the American Society of Microbiology.
  • MCAT prep questions emulate the appropriate content sections, cognitive skills, and question types of the MCAT for which many students are preparing to sit.

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  • Interactive Microbiology is a dynamic suite of interactive tutorials and animations that teach key microbiology concepts including Operons, Biofilms and Quorum Sensing, Complement, Human Microbiota, and Antibiotic Resistance. Interactive Microbiology actively engages students with each topic, enabling them to learn from manipulating variables, predicting outcomes, and answering formative and summative assessment questions. Each tutorial presents the concept within a real healthcare scenario in order to emphasize problem solving and interest students from the beginning.
  • Microboosters offer a mobile friendly way for students to review (or learn for the first time) foundational concepts that are important in order to understand microbiology. Topics included are Study Skills, General and Organic Chemistry, Cell Biology and more. These activities can be assigned through Mastering Microbiology and are available for self-study through Dynamic Study Modules.
  • MicroLab Tutors prepare students for their labs by introducing and assessing their understanding of the most important lab concepts and techniques. When appropriate, molecular animations combine with the lab technique to help visualize lecture concepts. Tutorials provide visual and answer-specific feedback to coach students in how to interpret and analyze different lab results.
  • Videos and Animations can be assigned in Mastering A&P.
    • Lab Technique Videos give students an opportunity to see techniques performed correctly and quiz themselves on lab procedures before and after lab time.
    • MicroFlix ™ 3D movie-quality animations help your students visualize complex microbiology topics the three toughest topics in microbiology: metabolism, DNA replication, and immunology. The animations include automatically graded coaching activities with personalized feedback and hints.
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    • Microbe at a Glance Coaching Activities require students to recognize and sort diseases by different categories (transmission type, pathogenesis, signs and symptoms, associated organisms, treatment, etc.). Coaching activities allow instructors to assess students’ understanding and recognition of important diseases.

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    New to This Edition

    • Key Concept statements at the start of each major part of a chapter give students a big picture view of the content before they dive in and immerse themselves in the details.
    • Referências back to content earlier in the text in every chapter, remind students what they learned in earlier chapters so they better understand what they are learning now.
    • Additional Explore the Microbial World features give students a feel for special topics in Microbiology and fuel their curiosity.

    Current coverage of the science of molecular biology and the genomic revolution

    • 34 MicrobiologyNow chapter-opening vignettes created for this edition introduce each chapter’s theme through a recent discovery in the field of microbiology. These exciting accounts draw students into the chapter and show how the chapter content connects with real world problems. Assignable MicrobiologyNow coaching activities are available in Mastering Microbiology.
    • Immunotherapy section covers the hottest thing in cancer treatment and related therapeutic medicine today with an emphasis on new discussion of the likely links between disorders of the microbiome and specific syndromes.
    • Chapter on the human microbiome now includes a new section on the human virome, describing how metagenomics is aiding the discovery and isolation of many new viruses. Extensive coverage is provided of the impact of early life events on the development of the newborn gut microbiome and of recent successes in probiotic therapy for preventing newborn intestinal diseases.
    • UPDATED - 21st Century Microbiology content covers global climate change, biofuels, and microbial fuel cells.

    Deepen student understanding of the microbial world

    • Stunningly visual introductory chapter on viruses in Unit I (The Foundations of Microbiology) bolsters and completes the overview of the microbial world with basic principles of microbiology that all students need to master.

    Reach every student with Modified Mastering Microbiology

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    Journal of Global Antimicrobial Resistance

    Anúncio: From January 2020 Journal of Global Antimicrobial Resistance (JGAR) is an open access journal. Authors who publish in JGAR will be able make their work immediately, permanently, and freely accessible. JGAR authors will pay an article publishing charge (APC), have a choice of license options.

    Anúncio: From January 2020 Journal of Global Antimicrobial Resistance (JGAR) is an open access journal. Authors who publish in JGAR will be able make their work immediately, permanently, and freely accessible. JGAR authors will pay an article publishing charge (APC), have a choice of license options, and retain copyright to their published work.

    JGAR continues with the same aims and scope, editorial team, submission system and rigorous peer review.

    The APC will be requested after peer review and acceptance and will be required for all accepted articles submitted after 6 January 2020. The APC for JGAR is GBP 1500 (excluding taxes) for Original Research Articles and Review Articles and GBP 500 (excluding taxes) for Short Format Articles.

    Please note: Authors who have submitted papers before 6 January 2020 will have their accepted paper published in JGAR at no charge. Authors submitting papers after this date will be requested to pay the APC.

    For full information on publishing your paper open access in JGAR, visit the journal's open access page and guide for authors, or visit our FAQs page. o Journal of Global Antimicrobial Resistance (JGAR) is a quarterly online Open Access journal run by an international Editorial Board that focuses on the global spread of antibiotic-resistant microbes.

    JGAR is a dedicated journal for all professionals working in research, health care, the environment and animal infection control, aiming to track the resistance threat worldwide and provides a single voice devoted to antimicrobial resistance (AMR).

    Featuring peer-reviewed and up to date research articles, reviews, short notes and hot topics JGAR covers the key topics related to antibacterial, antiviral, antifungal and antiparasitic resistance.

    • resistance mechanisms and gene transfer
    • molecular epidemiology of resistant organisms
    • resistome and proteome
    • drug-resistant viral emergence in treated and untreated patients
    • microbiological and clinical studies stewardship
    • resistance to disinfectants
    • antimicrobial resistance testing detection and diagnostic
    • viral resistant variants and impact on public health
    • PK/PD parameters and prediction of efficacy
    • surveillance studies of resistant pathogens affecting humans isolated from different hosts and environments.
    • resistance and spread in animals and environment.

    Moreover, JGAR has a dedicated section called Genome Notes, where scientists can publish genomes of resistant procariotic and eucariotic together with viruses, and is interested in Book Reviews.


    Comparison of the fecal microbiota in feral and domestic goats

    Animals have co-evolved with mutualistic microbial communities, known as the microbiota, which are essential for organ development and function. We hypothesize that modern animal husbandry practices exert an impact on the intestinal microbiota. In this study, we compared the structure of the fecal microbiota between feral and domestic goats using the G2 PhyloChip and assessed the presence of five tetracycline resistance genes [tet(M), tet(S), tet(O), tet(Q) and tet(W)] by PCR. Feces were collected from 10 goats: 5 domestic from a farm in the main island of Puerto Rico and 5 feral from the remote dry island of Mona. There were 42 bacterial phyla from 153 families detected in the goats' feces. A total of 84 PhyloChip-OTUs were different in the fecal microbiota of feral and domestic goat. Both feral and domestic goats carried antibiotic resistance genes tet(O) and tet(W), but domestic goats additionally carried tet(Q). Diet, host genetics and antibiotic exposure are likely determinant factors in shaping the intestinal microbiota and may explain the differences observed between feral and domestic goats fecal microbiota.

    Bonecos

    Richness distribution of the 1,982…

    Richness distribution of the 1,982 OTUs in 42 bacterial phyla among the feces…

    Bacterial Community Structure. ( UMA…

    Bacterial Community Structure. ( UMA ) Non-metric multidimensional scaling (NMDS) of community structure…

    Hierarchical clustering and heatmap of…

    Hierarchical clustering and heatmap of the 84 OTUs that significantly differ between feral…

    Bacterial Rank-abundance curves for fecal…

    Bacterial Rank-abundance curves for fecal bacteria in domestic (D1-5) and feral (F1-5) goats.

    UniFrac clustering of fecal bacterial…

    UniFrac clustering of fecal bacterial communities in domestic and feral goats. (Jackknifing node…

    Principal coordinates analysis (PCoA): depicting…

    Principal coordinates analysis (PCoA): depicting the fecal bacterial communities of five domestic (D)…

    Analyses of similarities (ANOSIM) with…

    Analyses of similarities (ANOSIM) with dissimilarity ranks between and within domestic and feral…


    As part of the Antibiotics-AI Project, we are harnessing the power of artificial intelligence (AI) to discover novel classes of antibiotics and rapidly understand how they work. We are also using deep learning approaches for the de novo design of new antibiotics and the development of combination treatments.

    Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection

    Peter Q. Nguyen, Luis R. Soenksen, Nina M. Donghia, Nicolaas M. Angenent-Mari, Helena de Puig, Ally Huang, Rose Lee, Shimyn Slomovic, Tommaso Galbersanini, Geoffrey Lansberry, Hani M. Sallum, Evan M. Zhao, James B. Niemi and James J. Collins
    Nature Biotechnology (2021)

    Integrating synthetic biology into wearables could expand opportunities for noninvasive monitoring of physiological status, disease states and exposure to pathogens or toxins. However, the operation of synthetic circuits generally requires the presence of living, engineered bacteria, which has limited their application in wearables. Here we report lightweight, flexible substrates and textiles functionalized with freeze-dried, cell-free synthetic circuits, including CRISPR-based tools, that detect metabolites, chemicals and pathogen nucleic acid signatures. The wearable devices are activated upon rehydration from aqueous exposure events and report the presence of specific molecular targets by colorimetric changes or via an optical fiber network that detects fluorescent and luminescent outputs. The detection limits for nucleic acids rival current laboratory methods such as quantitative PCR. We demonstrate the development of a face mask with a lyophilized CRISPR sensor for wearable, noninvasive detection of SARS-CoV-2 at room temperature within 90 min, requiring no user intervention other than the press of a button.

    Designing Biological Circuits: Synthetic Biology Within the Operon Model and Beyond

    Max A. English, Raphaël V. Gayet and James J. Collins
    Annual Review of Biochemistry (2021)

    In 1961, Jacob and Monod proposed the operon model of gene regulation. At the model’s core was the modular assembly of regulators, operators, and structural genes. To illustrate the composability of these elements, Jacob and Monod linked phenotypic diversity to the architectures of regulatory circuits. In this review, we examine how the circuit blueprints imagined by Jacob and Monod laid the foundation for the first synthetic gene networks that launched the field of synthetic biology in 2000. We discuss the influences of the operon model and its broader theoretical framework on the first generation of synthetic biological circuits, which were predominantly transcriptional and posttranscriptional circuits. We also describe how recent advances inmolecular biology beyond the operonmodel—namely, programmable DNA- and RNA-binding molecules as well as models of epigenetic and posttranslational regulation—are expanding the synthetic biology toolkit and enabling the design of more complex biological circuits.

    Cytoplasmic condensation induced by membrane damage is associated with antibiotic lethality

    Felix Wong, Jonathan M. Stokes, Bernardo Cervantes, Sider Penkov, Jens Friedrichs, Lars D. Renner and James J. Collins
    Nature Communications (2021)

    Bactericidal antibiotics kill bacteria by perturbing various cellular targets and processes. Disruption of the primary antibiotic-binding partner induces a cascade of molecular events, leading to overproduction of reactive metabolic by-products. It remains unclear, however, how these molecular events contribute to bacterial cell death. Here, we take a single-cell physical biology approach to probe antibiotic function. We show that aminoglycosides and fluoroquinolones induce cytoplasmic condensation through membrane damage and subsequent outflow of cytoplasmic contents as part of their lethality. A quantitative model of membrane damage and cytoplasmic leakage indicates that a small number of nanometerscale membrane defects in a single bacterium can give rise to the cellular-scale phenotype of cytoplasmic condensation. Furthermore, cytoplasmic condensation is associated with the accumulation of reactive metabolic by-products and lipid peroxidation, and pretreatment of cells with the antioxidant glutathione attenuates cytoplasmic condensation and cell death. Our work expands our understanding of the downstream molecular events that are associated with antibiotic lethality, revealing cytoplasmic condensation as a phenotypic feature of antibiotic-induced bacterial cell death.

    Synthetic biology in the clinic: engineering vaccines, diagnostics, and therapeutics

    Xiao Tan, Justin H. Letendre, James J. Collins and Wilson W. Wong
    Cell (2021)

    Synthetic biology is a design-driven discipline centered on engineering novel biological functions through the discovery, characterization, and repurposing of molecular parts. Several synthetic biological solutions to critical biomedical problems are on the verge of widespread adoption and demonstrate the burgeoning maturation of the field. Here, we highlight applications of synthetic biology in vaccine development, molecular diagnostics, and cell-based therapeutics, emphasizing technologies approved for clinical use or in active clinical trials. We conclude by drawing attention to recent innovations in synthetic biology that are likely to have a significant impact on future applications in biomedicine.

    Clinically relevant mutations in core metabolic genes confer antibiotic resistance

    Allison J. Lopatkin, Sarah C. Bening, Abigail L. Manson, Jonathan M. Stokes, Michael A. Kohanski, Ahmed H. Badran, Ashlee M. Earl, Nicole J. Cheney, Jason H. Yang and James J. Collins
    Science (2021)

    Although metabolism plays an active role in antibiotic lethality, antibiotic resistance is generally associated with drug target modification, enzymatic inactivation, and/or transport rather than metabolic processes. Evolution experiments of Escherichia coli rely on growth-dependent selection, which may provide a limited view of the antibiotic resistance landscape. We sequenced and analyzed E. coli adapted to representative antibiotics at increasingly heightened metabolic states. This revealed various underappreciated noncanonical genes, such as those related to central carbon and energy metabolism, which are implicated in antibiotic resistance. These metabolic alterations lead to lower basal respiration, which prevents antibiotic-mediated induction of tricarboxylic acid cycle activity, thus avoiding metabolic toxicity and minimizing drug lethality. Several of the identified metabolism-specific mutations are overrepresented in the genomes of >3500 clinical E. coli pathogens, indicating clinical relevance.


    Assista o vídeo: Zregeneruj swoje telomery! Pozostań młody + Zdrowy na zawsze Muzyka klasyczna (Dezembro 2021).