Escherichia coli

Escherichia coli (кишечная палочка, E. coli) — это вид грамотрицательных палочковидных бактерий, относящихся к семейству Enterobacteriaceae. Является факультативным анаэробом, то есть способна существовать как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. Штаммы E. coli являются частью нормальной микрофлоры толстого кишечника человека и теплокровных животных, где они играют важную роль в синтезе витамина K и подавлении роста патогенных микроорганизмов. Однако некоторые серотипы бактерии обладают факторами патогенности и вызывают тяжелые пищевые токсикоинфекции, инфекции мочевыводящих путей, сепсис и менингит. Бактерия широко используется в молекулярной биологии и генной инженерии в качестве модельного организма.

История открытия и изучения

Впервые бактерия была описана в 1885 году австрийским педиатром и бактериологом Теодором Эшерихом, который выделил её из фекалий здоровых детей. Первоначально микроорганизм получил название Bacterium coli commune, а в 1919 году, после пересмотра таксономии, был переименован в честь первооткрывателя — Escherichia coli. В первой половине XX века E. coli считалась преимущественно безвредным комменсалом кишечника. Ситуация изменилась в 1940-х годах, когда были выявлены штаммы, вызывающие вспышки диареи у новорожденных. В 1982 году в США была зафиксирована первая крупная вспышка инфекции, вызванная серотипом O157:H7, связанная с употреблением недожаренного говяжьего фарша. Это открытие положило начало интенсивному изучению патогенных вариантов E. coli.

Биологические характеристики

Морфология и окраска

E. coli представляет собой прямые палочки размером 1–3 мкм в длину и 0,4–0,7 мкм в диаметре. При окрашивании по Граму бактерия окрашивается в розовый цвет (грамотрицательная), что обусловлено тонким слоем пептидогликана и наличием внешней мембраны. Большинство штаммов подвижны благодаря перитрихиально расположенным жгутикам. На поверхности клеток могут присутствовать фимбрии (пили), обеспечивающие адгезию к эпителию кишечника.

Физиология и метаболизм

E. coli — хемоорганогетеротроф, использующий в качестве источника углерода глюкозу и другие сахара. Бактерия способна к брожению с образованием молочной, уксусной и муравьиной кислот, а также газов (водорода и углекислого газа). Оптимальная температура роста — 37 °C, однако бактерия сохраняет жизнеспособность в диапазоне от 10 до 49 °C. E. coli устойчива к низким температурам (выживает при замораживании) и чувствительна к высокой температуре (погибает при 60 °C в течение 30 минут). Бактерия является факультативным анаэробом: в аэробных условиях использует кислород, в анаэробных — переходит на брожение или использует нитраты в качестве конечного акцептора электронов.

Геном

Геном E. coli (штамм K-12) состоит из одной кольцевой хромосомы длиной около 4,6 миллиона пар оснований, содержащей приблизительно 4300 генов. Для патогенных штаммов характерно наличие плазмид, бактериофагов и островков патогенности — участков ДНК, кодирующих факторы вирулентности (токсины, адгезины, системы секреции). Высокая скорость мутаций и горизонтальный перенос генов обеспечивают быструю адаптацию бактерии к новым условиям, включая устойчивость к антибиотикам.

Классификация

Серотипы

Классификация E. coli основана на антигенных свойствах трех структур:

• О-антиген (соматический) — липополисахарид наружной мембраны. Известно более 180 серогрупп (например, O157, O111, O26).
• Н-антиген (жгутиковый) — белок флагеллин. Описано более 50 серогрупп.
• К-антиген (капсульный) — полисахарид капсулы.

Комбинация антигенов определяет серотип, например, O157:H7.

Патогенные типы (виротипы)

По механизму действия и вызываемым заболеваниям выделяют несколько категорий патогенных E. coli:

• Энтеротоксигенные E. coli (ETEC) — вырабатывают термолабильный (LT) и термостабильный (ST) энтеротоксины, вызывают «диарею путешественников» и холероподобную диарею у детей в развивающихся странах.
• Энтероинвазивные E. coli (EIEC) — проникают в эпителиальные клетки толстой кишки, вызывая дизентериеподобное заболевание с примесью крови и слизи в стуле.
• Энтеропатогенные E. coli (EPEC) — вызывают диарею у младенцев, прикрепляясь к клеткам кишечника и разрушая микроворсинки (феномен «прикрепления и стирания»).
• Энтерогеморрагические E. coli (EHEC) — продуцируют шига-токсины (Stx1 и Stx2), вызывают геморрагический колит и гемолитико-уремический синдром (ГУС). Наиболее известный представитель — серотип O157:H7.
• Энтероагрегативные E. coli (EAEC) — образуют характерную «кирпичную кладку» на клетках эпителия, вызывают хроническую диарею, особенно у пациентов с ослабленным иммунитетом.
• Уропатогенные E. coli (UPEC) — вызывают 70–90% неосложненных инфекций мочевыводящих путей (циститы, пиелонефриты).
• Менингит-ассоциированные E. coli (MNEC) — вызывают неонатальный менингит, проникая через гематоэнцефалический барьер.

Роль в норме и патологии

Комменсальная микрофлора

В кишечнике здорового человека E. coli появляется в первые дни жизни и становится доминирующим факультативным анаэробом. В норме бактерия выполняет следующие функции:

• Синтез витамина K2 (менахинона), необходимого для нормального свертывания крови.
• Выработка витаминов группы B (B1, B2, B6, B12).
• Конкуренция с патогенными микроорганизмами за питательные вещества и рецепторы.
• Стимуляция иммунной системы, поддержание барьерной функции кишечного эпителия.

Инфекции, вызываемые E. coli

Патогенные штаммы E. coli являются одной из ведущих причин бактериальных инфекций человека. Основные клинические формы:

• Пищевые токсикоинфекции — диарея, рвота, боли в животе, лихорадка. Инкубационный период составляет от 12 часов до 3 дней.
• Инфекции мочевыводящих путей — цистит, пиелонефрит. Характерны дизурия, учащенное мочеиспускание, боли в пояснице.
• Сепсис — системная воспалительная реакция на бактериемию, часто развивается у новорожденных и пациентов с катетерами.
• Неонатальный менингит — воспаление мозговых оболочек, вызываемое штаммами, содержащими K1-антиген.
• Гемолитико-уремический синдром — осложнение инфекции EHEC, характеризующееся микроангиопатической гемолитической анемией, тромбоцитопенией и острой почечной недостаточностью. Наиболее часто встречается у детей до 5 лет.

Факторы вирулентности

Патогенность E. coli обусловлена набором факторов:

• Адгезины (фимбрии, пили) — обеспечивают прикрепление к клеткам хозяина.
• Токсины (шига-токсины, энтеротоксины, гемолизин) — повреждают клетки и нарушают их функции.
• Системы секреции III типа — инъецируют эффекторные белки в цитоплазму клеток хозяина, изменяя их метаболизм.
• Липополисахарид (эндотоксин) — высвобождается при гибели бактерии, вызывает лихорадку и активацию иммунной системы.

Использование в науке и биотехнологии

E. coli является одним из наиболее изученных и широко используемых модельных организмов в молекулярной биологии, генетике и биохимии. Благодаря быстрому росту (время удвоения в оптимальных условиях — 20 минут), простоте культивирования и возможности генетической модификации, бактерия стала основой для:

• Клонирования генов — плазмидные векторы на основе E. coli используются для амплификации и экспрессии чужеродной ДНК.
• Производства рекомбинантных белков — инсулин, гормон роста, интерфероны, вакцинные антигены (например, против гепатита B) производятся с использованием E. coli.
• Метаболической инженерии — создание штаммов, синтезирующих биотопливо, аминокислоты, пластики и другие ценные соединения.
• Изучения фундаментальных процессов — репликация ДНК, транскрипция, трансляция, регуляция экспрессии генов (в частности, лактозный оперон, открытый Франсуа Жакобом и Жаком Моно).
• Тестирования мутагенов и канцерогенов — тест Эймса, основанный на обратных мутациях у штаммов Salmonella typhimurium и E. coli.

Устойчивость к антибиотикам

Проблема антибиотикорезистентности E. coli приобрела глобальный масштаб. Распространение штаммов, продуцирующих бета-лактамазы расширенного спектра (ESBL) и карбапенемазы (например, NDM-1), делает инфекции трудноизлечимыми. Основные механизмы устойчивости включают:

• Ферментативную инактивацию антибиотиков (бета-лактамазы).
• Изменение мишеней действия (мутации в генах ДНК-гиразы — устойчивость к фторхинолонам).
• Активное выведение препарата из клетки (эффлюксные насосы).
• Снижение проницаемости внешней мембраны.

Профилактика и лечение

Профилактика инфекций, вызванных патогенными E. coli, включает:

• Термическую обработку мяса (до внутренней температуры не менее 71 °C).
• Пастеризацию молока и соков.
• Тщательное мытье овощей и фруктов.
• Соблюдение правил личной гигиены (мытье рук после посещения туалета и перед едой).
• Обработку питьевой воды (хлорирование, кипячение).

Лечение инфекций зависит от клинической формы. При неосложненных диарейных инфекциях обычно проводится регидратация. Применение антибиотиков при инфекциях EHEC противопоказано, так как может увеличить высвобождение шига-токсинов и повысить риск развития ГУС. При инфекциях мочевыводящих путей и сепсисе назначаются антибиотики (фторхинолоны, цефалоспорины III поколения, аминогликозиды) с учетом данных антибиотикограммы.

Источники

• Todar K. Todar's Online Textbook of Bacteriology. University of Wisconsin-Madison, 2008.
• Nataro J. P., Kaper J. B. Diarrheagenic Escherichia coli. Clinical Microbiology Reviews, 1998, 11(1): 142–201.
• Kaper J. B., Nataro J. P., Mobley H. L. T. Pathogenic Escherichia coli. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2(2): 123–140.
• Tenaillon O., Skurnik D., Picard B., Denamur E. The population genetics of commensal Escherichia coli. Nature Reviews Microbiology, 2010, 8(3): 207–217.
• Медицинская микробиология / под ред. В. И. Покровского, О. К. Поздеева. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 1999.
• Blount Z. D. The unexhausted potential of E. coli. eLife, 2015, 4: e05826.