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4.E: Utilizzo di antibiotici e agenti chimici per controllare i batteri (esercizi) - Biologia


Questi sono esercizi a casa per accompagnare la TextMap "Microbiologia" di Kaiser. La microbiologia è lo studio dei microrganismi, definiti come qualsiasi organismo microscopico che comprende una singola cellula (unicellulare), gruppi di cellule o nessuna cellula (acellulare). Questo include eucarioti, come funghi e protisti, e procarioti. Vengono studiati anche virus e prioni, sebbene non strettamente classificati come organismi viventi.

4.1: Panoramica sul controllo dei microrganismi

Studio il materiale in questa sezione e poi scrivi le risposte a queste domande. Non basta fare clic sulle risposte e scriverle. Questo non metterà alla prova la tua comprensione di questo tutorial.

  1. Corrispondenza:

    _____ Un agente che uccide l'organismo. (ris)

    _____ Un agente che inibisce la crescita dell'organismo abbastanza a lungo da consentire alle difese dell'organismo di rimuoverlo. (ris)

    _____L'agente chimico utilizzato dovrebbe inibire o uccidere l'agente patogeno previsto senza danneggiare seriamente l'ospite. (ris)

    _____ Un agente chimico che generalmente agisce solo contro gram-positivi, gram-negativi o solo pochi batteri. (ris)

    _____ Un agente chimico generalmente efficace contro una varietà di batteri gram-positivi e gram-negativi. (ris)

    _____ Farmaci antimicrobici sintetizzati mediante procedure chimiche in laboratorio. (ris)

    _____ Prodotti metabolici di un microrganismo che inibiscono o uccidono altri microrganismi. (ris)

    _____ Il processo di distruzione di tutti gli organismi viventi e dei virus. (ris)

    _____ L'eliminazione di microrganismi, ma non necessariamente di endospore, da oggetti o superfici inanimate. (ris)

    _____ Un agente che uccide o inibisce la crescita dei microbi ma è sicuro da usare sui tessuti umani. (ris)

    1. tossicità selettiva
    2. agente ad ampio spettro
    3. agente a spettro ristretto
    4. cidal
    5. statico
    6. sterilizzazione
    7. antibiotico
    8. farmaco sintetico chemioterapico
    9. antisettico
    10. disinfezione
    11. disinfettante

4.2: Modi in cui gli agenti di controllo chimico influiscono sui batteri

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  1. Corrispondenza:

    _____ Alterare le subunità ribosomiali batteriche 30S bloccando la traduzione. (ris)

    _____ Inibisce la sintesi del peptidoglicano causando la lisi osmotica. (ris)

    _____ Alterare le subunità ribosomiali batteriche 50S bloccando la traduzione. (ris)

    _____ Inibisce la sintesi degli acidi nucleici. (ris)

    1. macrolidi (eritromicina, azitromicina, claritromicina, diritromicina, troleandomicina, ecc.), ossazolidinoni (linezolid) e streptogramine
    2. penicilline, monobattami, carbapenemi, cefalosporine e vancomicina
    3. fluorochinoloni (norfloxacina, lomefloxacina, fleroxacina, ciprofloxacina, enoxacina, trovafloxacina, ecc.), sulfamidici e trimetoprim e metronidazolo
    4. aminoglicosidi (streptomicina, neomicina, netilmicina, tobramicina, gentamicina, amikacina, ecc.) e tetracicline (tetraciclina, doxiciclina, demeclociclina, minociclina, ecc.)
  2. Descrivi 4 diversi modi in cui gli antibiotici o i disinfettanti possono influenzare le strutture batteriche o le macromolecole e indica come questo alla fine causi danni alla cellula.
    1. (ris)
    2. (ris)
    3. (ris)
    4. (ris)
  3. Scelta multipla (ris)

4.3: Modi in cui i batteri possono resistere agli agenti di controllo chimico

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  1. Nomina 2 batteri che hanno barriere di membrana a bassa permeabilità e sono quindi intrinsecamente resistenti a molti antibiotici. (ris)
  2. Descrivi brevemente 3 diversi meccanismi a seguito di cambiamenti genetici in un batterio che possono consentire a quel batterio di resistere a un antibiotico.
    1. (ris)
    2. (ris)
    3. (ris)
  3. Indica cosa significano:
    1. MRSA (ris)
    2. VRE (ris)
    3. CRE (ris)
  4. Descrivi brevemente i plasmidi R e afferma il loro significato nei nostri tentativi di trattare le infezioni con antibiotici. (ris)
  5. Scelta multipla (ris)

Scienza della resistenza: agenti antibatterici

Quando Louis Pasteur ha dimostrato che i batteri sono gli agenti che causano molte infezioni, le persone sono state in grado di capire meglio come iniziano e si diffondono le malattie. Ironia della sorte, tuttavia, anche se le scoperte di Pasteur hanno demistificato le malattie infettive, hanno anche portato alla paura della contaminazione da "germi". Questa paura non è stata placata fino alla seconda metà del ventesimo secolo, quando gli antibiotici sono stati scoperti e utilizzati clinicamente.

Gli antibiotici erano considerati farmaci miracolosi quando furono introdotti per la prima volta. Molte persone sentivano che le malattie causate dai batteri erano state sconfitte e presto non sarebbero più esistite. Sfortunatamente, tuttavia, poiché gli antibiotici sono stati adottati come "farmaci miracolosi", sono stati spesso utilizzati in modi indiscriminati e impropri. Cominciarono ad emergere ceppi di batteri resistenti. Oggi, circa ottant'anni dopo l'introduzione degli antibiotici, la resistenza agli antibiotici è un problema serio e gli antibiotici stanno perdendo la loro efficacia. Nelle strutture sanitarie, le epidemie di infezioni resistenti agli antibiotici rappresentano una grave minaccia per coloro la cui salute è già compromessa. Malattie come la tubercolosi, una volta ritenute sotto controllo, sono spesso resistenti a molti antibiotici e spesso non rispondono al trattamento. La preoccupazione pubblica per l'infezione è aumentata, le persone hanno ancora una volta paura dei "germi". Una risposta a questa paura è un maggiore uso pubblico di una varietà di agenti antibatterici progettati per rimuovere gli organismi che causano malattie dalle superfici esterne prima che possano entrare nel corpo. Sebbene siano stati introdotti per la prima volta in saponi, detersivi e altri prodotti per la pulizia e la cura della salute, oggi gli antibatterici possono anche essere impregnati di spugne, taglieri, moquette, tappezzeria e persino giocattoli per bambini.

L'uso di agenti antibatterici per distruggere molti organismi prima che entrino nel corpo potrebbe non essere sempre il modo migliore per fermare la diffusione di malattie infettive. Questo perché abbiamo bisogno di batteri "buoni" per controllare e competere con i batteri "cattivi". Spesso incontriamo e tocchiamo organismi che causano malattie o organismi "cattivi" (come, ad esempio, quando tocchiamo il naso, la bocca, una ferita aperta o la materia fecale, tutte fonti di agenti infettivi). Tuttavia, questi batteri devono competere per lo spazio con la varietà di batteri "buoni" che anche noi portiamo avanti e nel nostro corpo e che incontriamo nell'ambiente. Ciò significa che non tutti i contatti che abbiamo con i batteri, anche i batteri "cattivi", provocano malattie. Se distruggiamo tutti i batteri su una superficie, distruggeremo entrambi i tipi, rimuovendo i batteri "buoni" insieme a quelli "cattivi". Gli agenti chimici non discriminano tra batteri "buoni" e "cattivi" e possono rimuovere tutti i batteri. Tuttavia, se i batteri rimangono, questi possono essere resistenti agli effetti degli agenti chimici.

In alcuni contesti, gli agenti antibatterici sono essenziali per combattere le infezioni. Tuttavia, se usati troppo frequentemente e indiscriminatamente, alcuni agenti antibatterici, quelli che lasciano tracce di residui chimici e che prendono di mira particolari processi nel ciclo di vita dei batteri, possono, come gli antibiotici, selezionare ceppi resistenti. Per assicurare che questi agenti continuino ad essere efficaci quando sono necessari, i prodotti contenenti questi antibatterici dovrebbero essere usati solo quando sono essenziali per combattere l'infezione. In altre situazioni, quando non sono disponibili ulteriori informazioni, è più saggio disinfettare con agenti che è improbabile che selezionino per ceppi di batteri resistenti.

In generale, il modo migliore per rimuovere i batteri "cattivi" è attraverso una buona pratica di lavaggio delle mani utilizzando acqua e sapone non battericida. Un corretto lavaggio delle mani rimuoverà il 99,9% dei batteri e, normalmente, sono necessarie poche altre misure di controllo. Quando è probabile che le popolazioni suscettibili siano esposte a batteri "cattivi", potrebbero essere necessarie altre misure di controllo più efficaci. Ambienti che coinvolgono popolazioni suscettibili: bambini piccoli, anziani o coloro la cui salute è compromessa a causa dell'infezione da AIDS, dell'uso di farmaci immunosoppressori, di malattie che richiedono il ricovero ospedaliero o di chemioterapia richiedono misure di disinfezione aggiuntive. Gli agenti antibatterici dovrebbero essere riservati a queste impostazioni.


Controllo biologico

Il controllo biologico delle malattie delle piante comporta l'uso di organismi diversi dall'uomo per ridurre o prevenire l'infezione da un agente patogeno. Questi organismi sono chiamati antagonisti, possono verificarsi naturalmente all'interno dell'ambiente dell'ospite o possono essere applicati intenzionalmente a quelle parti della potenziale pianta ospite dove possono agire direttamente o indirettamente sull'agente patogeno.

Sebbene gli effetti del controllo biologico siano stati a lungo osservati, i meccanismi con cui gli antagonisti ottengono il controllo non sono completamente compresi. Sono stati osservati diversi metodi: alcuni antagonisti producono antibiotici che uccidono o riducono il numero di agenti patogeni strettamente correlati, alcuni sono parassiti dei patogeni e altri semplicemente competono con i patogeni per il cibo disponibile.

Le pratiche culturali che favoriscono un antagonista naturale e sfruttano la sua azione benefica sono spesso efficaci nel ridurre la malattia. Una tecnica consiste nell'incorporare il sovescio, come l'erba medica, nel terreno. I microrganismi saprotrofi si nutrono del sovescio, privando i potenziali patogeni dell'azoto disponibile. Un'altra pratica consiste nell'utilizzare terreni soppressivi, quelli in cui è noto che un agente patogeno persiste ma provoca pochi danni al raccolto. Una probabile spiegazione di questo fenomeno è che i suoli soppressivi ospitano antagonisti che competono con il patogeno per il cibo e quindi limitano la crescita della popolazione del patogeno.

Altri antagonisti producono sostanze che inibiscono o uccidono potenziali agenti patogeni che si verificano nelle immediate vicinanze. Un esempio di questo processo, chiamato antibiotico, è fornito dalla calendula (Tagete specie) radici, che rilasciano tertienili, sostanze chimiche tossiche per diverse specie di nematodi e funghi.

Solo pochi antagonisti sono stati sviluppati specificamente per l'uso nel controllo delle malattie delle piante. Gli alberi di agrumi vengono inoculati con un ceppo attenuato del virus tristeza, che controlla efficacemente il ceppo virulento che causa la malattia. Un ceppo avirulento di Agrobacterium radiobacter (K84) può essere applicato alle ferite delle piante per prevenire la galla della corona causata dall'infezione con Agrobacterium tumefaciens. Sono stati studiati molti antagonisti più specifici e sono molto promettenti per il futuro controllo della malattia.


Programmare il DNA per invertire la resistenza agli antibiotici nei batteri

La scorsa settimana, durante la sua assemblea annuale a Ginevra, l'Organizzazione mondiale della sanità ha approvato un piano radicale e di vasta portata per rallentare la rapida ed estesa diffusione della resistenza agli antibiotici in tutto il mondo. Il piano spera di frenare l'aumento causato da un uso incontrollato di antibiotici e dalla mancanza di nuovi antibiotici sul mercato.

Nuova ricerca dell'Università di Tel Aviv pubblicata su PNAS introduce un nuovo strumento promettente: un sistema su due fronti per combattere questa situazione pericolosa. Inibisce la resistenza agli antibiotici in batteri selezionati e rende altri batteri più sensibili agli antibiotici. La ricerca, guidata dal Prof. Udi Qimron del Dipartimento di Microbiologia Clinica e Immunologia presso la Facoltà di Medicina Sackler della TAU, si basa su virus batterici chiamati fagi, che trasferiscono il DNA "modificato" in batteri resistenti per uccidere i ceppi resistenti e rendere gli altri più sensibile agli antibiotici.

Secondo i ricercatori, il sistema, se applicato agli agenti patogeni sulle superfici degli ospedali o sulle mani del personale medico, potrebbe invertire la rotta su infezioni batteriche non curabili e spesso letali. "Poiché ci sono solo pochi agenti patogeni negli ospedali che causano la maggior parte delle infezioni da resistenza agli antibiotici, desideriamo progettare in modo specifico trattamenti di sensibilizzazione appropriati per ciascuno di essi", afferma il prof. Qimron. "Dovremo scegliere combinazioni adatte di fagi che consegnano il DNA che consegnerebbero il DNA nei patogeni e la combinazione adatta di fagi che 'uccidono' che potrebbero selezionare i patogeni ri-sensibilizzati".

Riprogrammazione del sistema

"I patogeni resistenti agli antibiotici costituiscono una minaccia crescente perché gli antibiotici sono progettati per selezionare i patogeni resistenti rispetto a quelli sensibili", afferma il prof. Qimron. "Il DNA iniettato fa due cose: elimina i geni che causano la resistenza agli antibiotici e conferisce protezione contro i fagi letali.

"Siamo riusciti a escogitare un modo per ripristinare la sensibilità agli antibiotici ai batteri resistenti ai farmaci e anche prevenire il trasferimento di geni che creano quella resistenza tra i batteri", continua.

Ricerche precedenti del Prof. Qimron hanno rivelato che i batteri potrebbero essere sensibilizzati a determinati antibiotici e che specifici agenti chimici potrebbero "scegliere" quei batteri più suscettibili agli antibiotici. La sua strategia sfrutta il sistema CRISPR-Cas - un sistema di riprogrammazione del DNA batterico introdotto dal Prof. Qimron - come strumento per espandere i principi stabiliti.

Secondo i ricercatori, la "pressione selettiva" esercitata dagli antibiotici rende la maggior parte dei batteri resistenti a loro, da qui l'epidemia di infezioni resistenti letali negli ospedali. Attualmente non è disponibile alcuna pressione di controselezione per la sensibilizzazione degli antibiotici. La strategia del Prof. Qimron combatte effettivamente questa pressione, selezionando la popolazione di agenti patogeni che mostrano sensibilità agli antibiotici.

"Riteniamo che questa strategia, oltre alla disinfezione, potrebbe rendere le infezioni ancora una volta curabili in modo significativo con gli antibiotici", ha affermato il prof. Qimron.

Il prof. Qimron e il suo team sono ora pronti ad applicare il sistema CRISPR/fago su pseudomonas aeruginosa -- uno dei patogeni resistenti agli antibiotici più diffusi al mondo coinvolti nelle infezioni acquisite in ospedale -- e per verificare se la sensibilizzazione batterica funziona in un ambiente microbico più complesso: la gabbia dei topi.


Inibizione irreversibile: veleni

Un inibitore irreversibile inattiva un enzima legandosi covalentemente a un particolare gruppo nel sito attivo. Il legame inibitore-enzima è così forte che l'inibizione non può essere invertita con l'aggiunta di substrato in eccesso. I gas nervini, in particolare il diisopropilfluorofosfato (DIFP), inibiscono irreversibilmente i sistemi biologici formando un complesso enzima-inibitore con uno specifico gruppo OH di serina situato nei siti attivi di alcuni enzimi. Le peptidasi tripsina e chimotripsina contengono gruppi serina nel sito attivo e sono inibite dal DIFP.


Alcoli

Gli alcoli costituiscono un altro gruppo di sostanze chimiche comunemente usate come disinfettanti e antisettici. Funzionano denaturando rapidamente le proteine, che inibiscono il metabolismo cellulare, e distruggendo le membrane, che portano alla lisi cellulare. Una volta denaturate, le proteine ​​possono potenzialmente ripiegarsi se nella soluzione è presente una quantità sufficiente di acqua. Gli alcoli sono tipicamente utilizzati a concentrazioni di circa il 70% di soluzione acquosa e, infatti, funzionano meglio in soluzioni acquose rispetto alle soluzioni di alcol al 100%. Questo perché gli alcoli coagulano le proteine. A concentrazioni più elevate di alcol, la rapida coagulazione delle proteine ​​di superficie impedisce un'efficace penetrazione delle cellule. Gli alcoli più comunemente usati per la disinfezione sono alcol etilico (etanolo) e alcool isopropilico (isopropanolo, alcol denaturato).

Gli alcoli tendono ad essere battericidi e fungicidi, ma possono anche essere viricidi solo per i virus avvolti. Sebbene gli alcoli non siano sporicidi, inibiscono i processi di sporulazione e germinazione. Gli alcoli sono volatili e si asciugano rapidamente, ma possono anche causare irritazioni alla pelle perché disidratano la pelle nel sito di applicazione. Un uso clinico comune degli alcoli è il tamponamento della pelle per la degerminazione prima dell'iniezione dell'ago. Gli alcoli sono anche i principi attivi nell'istante disinfettanti per le mani, che hanno guadagnato popolarità negli ultimi anni. L'alcol in questi disinfettanti per le mani agisce sia denaturando le proteine ​​sia distruggendo la membrana cellulare microbica, ma non funzionerà efficacemente in presenza di sporco visibile.

Infine, gli alcoli sono usati per fare tinture con altri antisettici, come le tinture di iodio discusse in precedenza in questo capitolo. Tutto sommato, gli alcoli sono economici e abbastanza efficaci per la disinfezione di un'ampia gamma di microbi vegetativi. Tuttavia, uno svantaggio degli alcoli è la loro elevata volatilità, che ne limita l'efficacia immediatamente dopo l'applicazione.

Figura 6. (a) L'alcol etilico, l'ingrediente inebriante che si trova nelle bevande alcoliche, è anche comunemente usato come disinfettante. (b) L'alcol isopropilico, chiamato anche alcol denaturato, ha una struttura molecolare correlata ed è un altro disinfettante comunemente usato. (credit a foto: modifica del lavoro di D Coetzee credito b foto: modifica del lavoro di Craig Spurrier)

Pensaci

  • Indica almeno tre vantaggi degli alcoli come disinfettanti.
  • Descrivere diverse applicazioni specifiche degli alcoli utilizzati nei prodotti disinfettanti.

Metaboliti primari, metaboliti secondari e bioconversioni

Il metabolismo primario, detto anche trofofase, è caratterizzato da una crescita equilibrata dei microrganismi. Si verifica quando tutti i nutrienti necessari agli organismi sono forniti nel mezzo. Il metabolismo primario è essenziale per l'esistenza e la riproduzione delle cellule. Nella trofofase le cellule possiedono concentrazioni ottimali di quasi tutte le macromolecole (proteine, DNA, RNA ecc.).

È durante il periodo della trofofase che si verifica una crescita esponenziale di microrganismi. Diversi prodotti metabolici, indicati collettivamente come metaboliti primari, sono prodotti in trofofase (cioè durante il periodo di crescita).

I metaboliti primari sono divisi in due gruppi:

1. Metaboliti essenziali primari:

Questi sono i composti prodotti in quantità adeguate per sostenere la crescita cellulare, ad es. vitamine, aminoacidi, nucleosidi. I microrganismi nativi di solito non producono in eccesso metaboliti primari essenziali, poiché è un esercizio dispendioso. Tuttavia, per la sovrapproduzione industriale, i meccanismi regolatori sono opportunamente manipolati.

2. Prodotti finali metabolici primari:

Questi sono i prodotti finali normali e tradizionali del processo di fermentazione del metabolismo primario. I prodotti finali possono o non possono avere alcuna funzione significativa da svolgere nei microrganismi, sebbene abbiano molte altre applicazioni industriali, ad es. etanolo, acetone, acido lattico. L'anidride carbonica è un prodotto finale metabolico di Saccharomyces cerevisiae. questo CO2 è indispensabile per la lievitazione degli impasti nell'industria della panificazione.

Limiti nella crescita:

A causa dell'apporto insufficiente/limitato di qualsiasi nutriente (substrato o addirittura O2), il tasso di crescita dei microrganismi rallenta. Tuttavia, il metabolismo non si ferma. Continua finché la cellula vive, ma la formazione dei prodotti è diversa.

Sovraproduzione di metaboliti primari:

L'eccessiva produzione di metaboliti primari è molto importante per il loro uso su larga scala per una varietà di scopi.

La sovrapproduzione di diversi metaboliti è stata realizzata con successo eliminando l'inibizione del feedback come brevemente descritto di seguito:

1. Utilizzando mutanti auxotrofi con un blocco in una delle fasi della via biosintetica interessata alla formazione del metabolita primario (questo dovrebbe essere un prodotto finale intermedio e non finale). In questo modo viene bloccata la formazione del prodotto finale (E), quindi nessuna inibizione di retroazione. Ma la sovrapproduzione del metabolita richiesto (C) si verifica come illustrato di seguito.

Nell'esempio sopra, viene mostrato un percorso non ramificato. Questo tipo di manipolazione per la sovrapproduzione di metaboliti può essere effettuato anche per vie metaboliche ramificate.

2. I microrganismi mutanti con resistenza agli antimetaboliti che mostrano una regolazione metabolica difettosa possono anche produrre metaboliti primari.

Metaboliti secondari:

Al cessare della crescita esponenziale dei microrganismi (cioè al termine della trofofase), essi entrano in idiofase. L'idiofase è caratterizzata da metabolismo secondario in cui si verifica la formazione di alcuni metaboliti, indicati come metaboliti secondari (idioliti).

Questi metaboliti, sebbene non richiesti dai microrganismi, sono prodotti in abbondanza. I metaboliti secondari invece, sono industrialmente molto importanti, e sono i più sfruttati in biotecnologia ad esempio antibiotici, steroidi, alcaloidi, gibberelline, tossine.

Caratteristiche dei metaboliti secondari:

1. I metaboliti secondari sono prodotti specificamente da pochi microrganismi selezionati.

2. Non sono essenziali per la crescita e la riproduzione degli organismi da cui sono prodotti.

3. I fattori ambientali influenzano la produzione di metaboliti secondari.

4. Alcuni microrganismi producono metaboliti secondari come un gruppo di composti (di solito strutturalmente correlati) anziché come un singolo, ad es. circa 35 antracicline sono prodotte da un singolo ceppo di Streptomyces.

5. Le vie biosintetiche per la maggior parte dei metaboliti secondari non sono chiaramente stabilite.

6. La regolazione della formazione dei metaboliti secondari è più complessa e differisce da quella dei metaboliti primari.

Funzioni dei metaboliti secondari:

I metaboliti secondari non sono essenziali per la crescita e la moltiplicazione delle cellule. La loro presenza e le strutture variano ampiamente. Diverse ipotesi sono state avanzate per spiegare il ruolo dei metaboliti secondari, due delle quali sono riportate di seguito.

1. I metaboliti secondari possono svolgere determinate funzioni (sconosciute) utili per la sopravvivenza delle cellule.

2. I metaboliti secondari non hanno assolutamente alcuna funzione. La loro sola produzione è importante per la cellula, qualunque sia il prodotto (che è considerato inutile).

Sovraproduzione di metaboliti secondari:

Come già affermato, la produzione di metaboliti secondari è più complessa dei metaboliti primari. Tuttavia, le manipolazioni regolatorie impiegate per la produzione eccessiva di metaboliti primari possono essere utilizzate anche per i metaboliti secondari.

Diversi geni sono coinvolti nella produzione di metaboliti secondari. Pertanto, circa 300 geni partecipano alla biosintesi della clortetraciclina mentre 2000 geni sono direttamente o indirettamente coinvolti nella produzione di neomicina. Con sistemi così complessi, la regolazione metabolica è altrettanto complessa per ottenere una sovrapproduzione di metaboliti secondari. Alcuni meccanismi regolatori sono brevemente discussi di seguito.

L'aggiunta di metionina induce alcuni enzimi e aumenta la produzione di cefalosporine. Il triptofano regola la biosintesi degli alcaloidi dell'ergot.

Normativa sul prodotto finito:

Alcuni dei metaboliti secondari inibiscono la propria biosintesi, un fenomeno denominato regolazione del prodotto finale, ad es. penicillina, streptomicina, puromicina, cloramfenicolo. È possibile isolare mutanti meno sensibili all'inibizione del prodotto finale e in questo modo è possibile aumentare la produzione di metaboliti secondari.

Regolamento cataboliti:

In questo processo di regolazione, un enzima chiave coinvolto in una via catabolica viene inattivato, inibito o represso aggiungendo un substrato comunemente usato. La repressione catabolica può essere ottenuta utilizzando fonti di carbonio o azoto. Il meccanismo d'azione della regolazione dei cataboliti non è molto chiaro.

La fonte di carbonio più comunemente usata è il glucosio. Si è scoperto che inibisce la produzione di diversi antibiotici, ad es. penicillina, streptomicina, bacitracina, cloramfenicolo, puromicina. Le fonti di azoto come l'ammoniaca agiscono anche come regolatori dei cataboliti (cioè inibitori) per la sovrapproduzione di alcuni antibiotici.

Il fosfato inorganico (Pi) è necessario per la crescita e la moltiplicazione di procarioti ed eucarioti. L'aumento della concentrazione di Pi (fino a 1 mM) è associato a un aumento della produzione di metaboliti secondari, ad es. antibiotici (streptomicina, tetraciclina), alcaloidi, gibberelline. Tuttavia, una concentrazione di Pi molto alta è inibitoria, il meccanismo d'azione non è molto chiaro.

In alcuni microrganismi (in particolare actinomiceti), si verifica un'autoregolazione per la produzione di metaboliti secondari. Si ritiene che un composto designato come fattore A che è analogo a un ormone sia strettamente coinvolto nell'autoregolazione per la produzione di streptomicina da parte di Streptomyces griseus. Sono stati identificati anche altri fattori di questo tipo provenienti da altri organismi.

Bioconversioni:

I microrganismi vengono utilizzati anche per la trasformazione chimica di substrati insoliti in prodotti desiderati. Questo processo, noto anche come biotrasformazione, è molto importante nella produzione di diversi composti, ad es. conversione dell'etanolo in acido acetico (nell'aceto), sorbitolo in sorbosio, sintesi di ormoni steroidei e di alcuni amminoacidi.

Nella bioconversione, i microrganismi convertono un composto in un prodotto strutturalmente correlato in una o poche reazioni enzimatiche. Le bioconversioni possono essere effettuate con cellule a riposo, spore o anche cellule uccise. Le cellule non in crescita sono preferite per le bioconversioni, poiché è possibile utilizzare un'elevata concentrazione di substrato, oltre a lavare facilmente le cellule (per renderle libere da contaminazioni).

A volte, le colture miste vengono utilizzate per le bioconversioni per eseguire reazioni diverse. Negli ultimi anni, la resa della bioconversione è aumentata utilizzando cellule immobilizzate a un costo inferiore.


Bacillus cereus LMG 6923 T (ceppo per scopi didattici, BCCM TM /LMG Bacteria Collection) bulbi di aglio fresco spremiaglio 10 ml siringa di plastica garza 250 ml contenitori di vetro bastoncini di vetro scala di grammo forno a microonde piastre di Petri pipette Pasteur e pipette da 1 ml anse microbiologiche agar (batteriologico o disponibile nei supermercati e nei negozi di alimenti naturali) carne (suino o manzo) zucchero da tavola sale da cucina acqua distillata flaconi da 1 litro (o contenitori di vetro equivalenti per microonde) bruciatori di vetro contenitore per gli scarti con candeggina (20%) etanolo (70 %) salviette di carta e provette Falcon ed Eppendorf (o equivalenti).

Questa attività richiede la manipolazione dei batteri. Pertanto, gli studenti devono agire in modo responsabile. Devono lavarsi le mani prima e dopo l'esercizio e non devono mangiare o bere in laboratorio. Le superfici di lavoro devono essere disinfettate con etanolo (70%) e i materiali utilizzati devono essere preventivamente sterilizzati. Liquidi, plastica e vetreria possono essere sterilizzati utilizzando un forno a microonde. I materiali metallici possono essere sterilizzati utilizzando acqua bollente. Tutti i materiali a contatto con i batteri devono essere sterilizzati prima dello smaltimento.


Astratto

La pratica standard delle malattie infettive richiede un trattamento farmacologico aggressivo che elimini rapidamente la popolazione di agenti patogeni prima che possa emergere la resistenza. Quando la resistenza è assente, questa strategia di eliminazione può portare alla guarigione completa. Tuttavia, quando la resistenza è già presente, la rimozione delle cellule sensibili ai farmaci il più rapidamente possibile rimuove le barriere competitive che possono rallentare la crescita delle cellule resistenti. Contrariamente alla strategia di eliminazione, una strategia di contenimento mira a mantenere il numero massimo tollerabile di agenti patogeni, sfruttando la soppressione competitiva per ottenere il controllo cronico. Qui, combiniamo esperimenti in vitro in bioreattori controllati da computer con modelli matematici per indagare se le strategie di contenimento possono ritardare il fallimento dei regimi di trattamento antibiotico. Per fare ciò, abbiamo misurato il "tempo di fuga" richiesto per i farmaci resistenti Escherichia coli popolazioni per eclissare una densità di soglia mantenuta dal dosaggio antibiotico adattativo. Le popolazioni contenenti solo cellule resistenti sfuggono rapidamente alla densità di soglia, ma abbiamo scoperto che le popolazioni resistenti corrispondenti che contengono anche il numero massimo possibile di cellule sensibili potrebbero essere contenute per molto più tempo. L'aumento del tempo di fuga si verifica solo quando la densità di soglia - la carica batterica accettabile - è sufficientemente alta, un effetto che i modelli matematici attribuiscono all'aumento della concorrenza. I risultati forniscono una decisiva conferma sperimentale che il mantenimento del numero massimo di cellule sensibili può essere utilizzato per contenere la resistenza quando la dimensione della popolazione è sufficientemente grande.

Citazione: Hansen E, Karslake J, Woods RJ, Read AF, Wood KB (2020) Gli antibiotici possono essere utilizzati per contenere batteri resistenti ai farmaci mantenendo popolazioni sensibili sufficientemente grandi. PLoS Biol 18(5): e3000713. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000713

Redattore accademico: David S. Schneider, Università di Stanford, STATI UNITI

Ricevuto: 11 giugno 2019 Accettato: 23 aprile 2020 Pubblicato: 15 maggio 2020

Diritto d'autore: © 2020 Hansen et al. Questo è un articolo ad accesso aperto distribuito secondo i termini della Creative Commons Attribution License, che consente l'uso, la distribuzione e la riproduzione senza restrizioni con qualsiasi mezzo, a condizione che l'autore e la fonte originali siano citati.

Disponibilità dei dati: Dati depositati nel repository Dryad: https://doi.org/10.5061/dryad.s4mw6m943.

Finanziamento: Questo lavoro è supportato dalla National Science Foundation (NSF No. 1553028 a KBW), National Institutes of Health (NIH No. 1R35GM124875-01 a KBW NIH No. R01 GM089932 a AFR NIH K08 AI119182 a RJW), Hartwell Foundation for Ricerca biomedica (a KBW) e la famiglia Eberly (a AFR). I finanziatori non hanno avuto alcun ruolo nella progettazione dello studio, nella raccolta e nell'analisi dei dati, nella decisione di pubblicare o nella preparazione del manoscritto.

Interessi conflittuali: Gli autori hanno dichiarato che non esistono interessi concorrenti.

Abbreviazioni: LTEE, esperimento di evoluzione a lungo termine OD, densità ottica Pmax, carico accettabile TA, tetrazolio arabinosio


Guarda il video: APLIKASI FERMENTASI: ANTIBIOTIK u0026 ENZIM (Dicembre 2021).