Mycobacterium smegmatis — кислотоустойчивый вид бактерий из типа Actinomycetota и рода Mycobacterium . Длина этого бактериального образования составляет от 3,0 до 5,0 мкм, оно имеет форму палочки и может быть окрашено методом Циля–Нильсена и флуоресцентным методом аурамина-родамина. Впервые о нем сообщил в ноябре 1884 года Люстгартен, который обнаружил палочку с окрашивающим внешним видом туберкулезной палочки в сифилитических шанкрах . После этого Альварес и Тавель обнаружили организмы, похожие на описанные Люстгартеном, также в нормальных генитальных выделениях ( смегме ). Этот организм позже был назван M. smegmatis . [1]
Некоторые виды рода Mycobacterium недавно были переименованы в Mycolicibacterium , так что M. smegmatis теперь называется Mycolicibacterium smegmatis . [2] [3]
M. smegmatis , который ранее считался неподвижным организмом, использует механизм скольжения, который позволяет ему перемещаться по окружающей среде. Хенрихсен [4] определяет его как «вид поверхностной транслокации, производимой экспансивными силами в растущей культуре в сочетании с особыми поверхностными свойствами клеток, что приводит к снижению трения между клеткой и субстратом». По сути, бактерии образуют однослойный слой и способны медленно перемещаться вместе без использования каких-либо внеклеточных структур, таких как жгутики или пили. Хотя точно не установлено, как работает этот механизм, было обнаружено, что поверхностные свойства уникальной клеточной стенки (рисунок 1) M. smegmatis играют определенную роль. Например, эта способность скольжения коррелирует с наличием гликопептидолипидов (GPL) на самой внешней части клеточной стенки. GPL — это амфифильные молекулы, которые потенциально могут уменьшать поверхностные взаимодействия или создавать кондиционирующую пленку, которая допускает движение. Хотя точная роль GPL в скольжении неизвестна, без них M. smegmatis не имеет возможности перемещаться. [5]
M. smegmatis обычно считается непатогенным микроорганизмом; однако в некоторых очень редких случаях он может вызывать заболевание. [6]
Mycobacterium smegmatis полезен для исследовательского анализа других видов микобактерий в лабораторных экспериментах. M. smegmatis обычно используется в работе с родом Mycobacterium, поскольку он «быстро растет» и не является патогенным. M. smegmatis — это простая модель, с которой легко работать, т. е. с быстрым временем удвоения и требующая только лаборатории уровня биологической безопасности 1. Время и тяжелая инфраструктура, необходимые для работы с патогенными видами, побудили исследователей использовать M. smegmatis в качестве модели для видов микобактерий. [ необходима цитата ]
Mycobacterium smegmatis имеет такую же своеобразную структуру клеточной стенки, как M. tuberculosis и другие виды микобактерий. [7] Он также способен окислять оксид углерода аэробно, как и M. tuberculosis. [ необходима цитата ]
Бактериальные системы секреции — это специализированные белковые комплексы и пути, которые позволяют бактериальным патогенам секретировать белки через свои клеточные мембраны и, в конечном итоге, в клетки хозяина. Эти эффекторные белки являются важными факторами вирулентности, которые позволяют патогену выживать внутри хозяина. Существует много различных видов специфических систем секреции, и M. tuberculosis имеет систему секреции белка Snm (секреция в микобактериях), которая теперь называется системой секреции ESX. Хотя система секреции ESX является ключевой в определении вирулентности M. tuberculosis , у всех микобактерий есть гены, кодирующие компоненты этой системы. Эта область генома называется локусом RD1. M. smegmatis обычно используется для изучения секреции ESX из-за его генетического сходства и аналогичной функции с M. tuberculosis , а также простоты выращивания в лаборатории. Одним из примеров того, как это может быть применено в исследованиях, является идентификация продуктов генов, необходимых для секреции ESX. Путем нокаута генов в локусе RD1 M. smegmatis и тестирования эффективности секреции ESX до и после нокаута гена можно идентифицировать специфические гены, необходимые для секреции ESX. Эти результаты можно применить к системе секреции ESX M. tuberculosis . [8]
Mycobacterium smegmatis легко культивируется в большинстве синтетических или сложных лабораторных сред, где он может образовывать видимые колонии в течение 3–5 дней. Эти свойства делают его очень привлекательным модельным организмом для M. tuberculosis и других микобактериальных патогенов. M. smegmatis mc 2 155 также используется для культивирования микобактериофага . [ необходима цитата ]
Как и многие другие бактерии, M. smegmatis , как известно, использует следовые количества водорода в атмосфере в качестве источника энергии. В 2023 году исследователи сообщили об извлечении из M. smegmatis гидрогеназы под названием Huc , которая очень эффективна при окислении газообразного водорода и, таким образом, создании электрического тока , а также нечувствительна к присутствию кислорода , который обычно препятствует катализу . [9] Это открытие предлагает значительный потенциал для зеленой энергетики . [ требуется цитата ]
Геномы нескольких штаммов M. smegmatis были секвенированы TIGR и другими лабораториями, включая «дикий тип» (mc 2 155) и некоторые штаммы, устойчивые к антибиотикам (4XR1/R2). [10] Геном штамма mc 2 155 имеет длину ~6,9 Мб и кодирует ~6400 белков [11] , что относительно много для бактерий (для сравнения, геном E. coli кодирует около 4000 белков).
Этот вид имеет более 2000 гомологичных генов с M. tuberculosis и, таким образом, является хорошим модельным организмом для изучения микобактерий в целом и высокопатогенных M. tuberculosis в частности; однако, только 12 из 19 генов вирулентности M. tuberculosis имеют гомологи в M. smegmatis . [12] [13] [14] [15]
Открытие плазмид , фагов и мобильных генетических элементов позволило создать специализированные системы инактивации генов и репортеров генов. Штамм M. smegmatis mc 2 155 является гипертрансформируемым и в настоящее время является рабочей лошадкой генетики микобактерий. [ необходима цитата ]
Трансформация — это процесс, при котором бактериальная клетка поглощает ДНК, которая была высвобождаема другой клеткой в окружающую среду, а затем включает эту ДНК в свой собственный геном путем гомологичной рекомбинации (см. Трансформация (генетика) ). Штаммы M. smegmatis , которые имеют особенно эффективный аппарат репарации ДНК, на что указывает их большая устойчивость к повреждающему ДНК воздействию таких агентов, как УФ и митомицин С, оказались наиболее способными к трансформации. [16] Это говорит о том, что трансформация в M. smegmatis — это процесс репарации ДНК, предположительно рекомбинационный процесс репарации, как и у других видов бактерий. [17]
Конъюгационный перенос ДНК в M. smegmatis требует стабильного и продолжительного контакта между штаммом донора и реципиента, устойчив к ДНКазе, а перенесенная ДНК включается в хромосому реципиента путем гомологичной рекомбинации. Однако, в отличие от хорошо известной системы конъюгации Hfr E. coli , в M. smegmatis все регионы хромосомы переносятся с сопоставимой эффективностью, а микобактериальная конъюгация основана на хромосомах, а не на плазмидах. Грей и др. [18] сообщили о существенном смешивании родительских геномов в результате конъюгации и назвали это смешивание напоминающим то, что наблюдается в мейотических продуктах полового размножения (см. Происхождение полового размножения ). [ необходима цитата ]
Mycobacterium smegmatis использует пути репарации ДНК для сопротивления повреждению ДНК. Двухцепочечные разрывы особенно опасны для жизнеспособности бактерий. У M. smegmatis есть три варианта репарации двухцепочечных разрывов: гомологичная рекомбинация (HR), негомологичное соединение концов (NHEJ) и одноцепочечный отжиг (SSA) . [19] Путь HR у M. smegmatis является основным фактором, определяющим устойчивость к ионизирующему излучению и окислительному повреждению ДНК. Этот путь включает обмен информацией между поврежденной хромосомой и другой гомологичной хромосомой в той же клетке. Он зависит от белка RecA, который катализирует обмен цепями, и белка ADN, который действует как пресинаптическая нуклеаза. [19] HR — это точный процесс репарации, который является предпочтительным путем во время логарифмического роста. [20]
Путь NHEJ для восстановления двухцепочечных разрывов включает в себя повторное соединение разорванных концов. Он не зависит от второй гомологичной хромосомы. Этот путь требует белка Ku и специализированной полифункциональной АТФ-зависимой ДНК-лигазы (лигазы D). [21] NHEJ эффективен, но неточен. Запечатывание тупых концов ДНК в функциональной последовательности гена происходит с частотой мутаций около 50%. [21] NHEJ является предпочтительным путем во время стационарной фазы, и он защищает M. smegmatis от вредного воздействия высыхания. [20]
SSA используется как путь репарации, когда двухцепочечный разрыв возникает между прямыми повторными последовательностями в ДНК. SSA включает одноцепочечную резекцию, отжиг повторов, удаление лоскута, заполнение пробелов и лигирование. У M. smegmatis путь SSA зависит от RecBCD геликазы-нуклеазы. [19]