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University of Michigan Health System
Wissen könnte dazu führen, dass neue Impfstoffe, Therapien, Feststellung und Dekontamination Technologien
Ann Arbor, MI (USA) - In den alten Kampf zwischen Mensch und Mikrobe, lohnt es sich zu wissen, dass Ihr Gegner. Dies gilt insbesondere für Bacillus anthracis, das Bakterium, das Milzbrand.
Tiny Sporen dieser hoch ansteckenden Erreger überleben können, Trockenheit, Kälte und anderen harten Bedingungen für Jahrzehnte, doch noch keimen fast sofort zu infizieren und zu töten, wenn in einem tierischen oder menschlichen Wirtes.
In einer Zusammenarbeit im Rahmen des US Office of Naval Research und der National Institutes of Health, Wissenschaftler aus drei großen Forschungs-Institutionen - die Universität von Michigan, Das Institut für Genomforschung (TIGR), und The Scripps Research Institute - arbeiten zusammen, um der Gene und Proteine, die in den tödlichen Milzbrand Metamorphose.
Ihre Arbeit bietet auch andere Informationen können die Forscher zur Entwicklung neuer Impfstoffe und Behandlungen, die auf spezifische Punkte in den komplexen Prozess der Anthrax-Sporen Wachstum und Bildung.
Die ersten Ergebnisse der Zusammenarbeit der Arbeit wird als Titelstory in der 1. Januar 2004 Ausgabe des Journal of Bacteriology und gebucht Dez. 18, 2003 über die Zeitschrift der Website.
Diese Studie ist die erste Analyse einer bakteriellen Erreger mit Hilfe der kombinierten Untersuchungs-Instrumente der Genomik und Proteomik. Es ist auch die erste Studie zu dokumentieren, auf molekularer Ebene, die Gene und Proteine, die in B.anthracis Spore Bildung.
Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind:
Im Vergleich zu anderen Bakterien, Milzbrand-Sporen Bildung ist eine ungewöhnlich komplexe und aufwändige Verfahren.
Bis zu einem Drittel aller Gene im Genom Bacillus anthracis sind in Spore Produktion.
Gene sind in fünf einzelne Phasen über einen Fünf-Stunden-Zeitraum.
Jeder reifen Anthrax Spore enthält etwa 750 einzelnen Proteine.
"Die meisten überraschende Ergebnis dieser Studie ist der Einsatz dieses Organismus widmet, um seine Sporen", sagt Philip C. Hanna, Ph.D., Assistant Professor für Mikrobiologie und Immunologie in der UM Medical School und das Papier der entsprechenden Autor .
"Sie kann ein Drittel des gesamten Genoms. Dies zeigt, wie wichtig der Sporensuspension ist dieser Organismus Lebenszyklus. Die Sporen können die Anthrax-Bakterium Bedingungen zu überleben, die töten, die meisten anderen Lebewesen. "
Mit Hilfe modernster Techniken der funktionellen Genomik und Proteomik-Analyse, die Wissenschaftler in der Zusammenarbeit konnten die ein neues Licht auf die molekulare Biologie der Anthrax-Sporen ", sagt Scott N. Peterson, Ph.D., eine von mehreren Wissenschaftlern aus dem Institut für Genomforschung (TIGR) in Rockville, MD, die Co-Autoren auf dem Papier.
"Bis vor kurzem wussten wir nur, wie die Anthrax Spore wurde auf mikroskopischer Ebene. Wir konnten sehen, unterschiedlichen Strukturen bilden, aber nicht genau wissen, was in sie ", sagt Nicholas H. Bergman, Ph.D., ein Forschungs-Prüfer in der Bioinformatik UM-Programm und eine primäre Autor des Papiers.
"Jetzt haben wir ein viel klareres Bild davon, wie der Sporensuspension montiert ist, und genau das, was es ist aus."
Bacillus und Clostridium (das Bakterium, das Tetanus) sind die einzigen Bakterien, die heruntergefahren normalen Stoffwechselfunktionen und wandeln sich rasch in ruhender, Schutz-Sporen, wenn die Umweltbedingungen es ihnen unmöglich machen, um andere überleben.
Wissenschaftler haben das Studium Milzbrand-Sporen seit 1876, als sie zum ersten Mal von der deutschen Vorreiterrolle Bakteriologe Robert Koch. Wie ein Golfball, Milzbrand-Sporen sind aus vielen Schichten von Material, das Schutz-DNA in den Kern.
Die Sporen des harten Deckhaar ist umgeben von einem lockere Schicht genannt exosporium. Wenn die Spore wird in einer menschlichen oder tierischen Host - der erste Schritt im Prozess der Infektion - Sensor-Agenten in der exosporium Signal der Sporen zu "Luke", oder keimen, und produzieren mehr Bakterien.
TIGR Wissenschaftler DNA-Microarray-Technologie zur Überwachung der Veränderungen in der Genexpression Bacillus anthracis Zellen im Laufe der Zeit als Übergang von Wachstum zu Spore Bildung. "Da die Sporen ist die infektiöse Partikel der Anthrax-Bakterien, war es sinnvoll, sich zunächst auf der molekularen Biologie der Spore", sagt Peterson.
Wissenschaftler des Scripps Research Institute in La Jolla, CA verwendet erweiterte Analyse Proteomik-Technologien zu identifizieren Proteine in Milzbrand-Sporen. "Proteomics Experimente zeigen, kann die Expression und Lokalisation von Proteinen in Mikroorganismen", sagt John R. Yates, Ph.D., Professor für Zellbiologie am Scripps Research.
"Dies ist wichtig, weil einige dieser Proteine kann viel versprechende Ziele für die künftige Entwicklung Impfstoff."
Hongbin Liu, Ph.D., ein ehemaliger Scripps Research Post-Doc Research Fellow und das Papier der erste Autor, fügt hinzu, dass die Studie "zeigt deutlich die Vorteile der Kombination von Genom-und Proteomforschung in einer Studie. Der kombinierte Ansatz geholfen vertiefen unser Verständnis von der Komplexität der Sporensuspension Wachstum und Sporenbildung. "
Mikrobiologen an der UM Medical School verantwortlich waren für die Arbeit mit der Bakterien zu untersuchen, wie sie infiziert und verursacht Krankheit in seinem menschlichen Gastgeber. UM Wissenschaftler mit einem abgeschwächten Stamm von B. anthracis, die geändert wurde, um sie sicher zu handhaben in der universitären Labors.
UM auch die Bioinformatik-Technologie und Know-how erforderlich, um die Analyse großer Mengen von Daten aus der Studie.
Die Zusammenarbeit der Wissenschaftler identifizierten 2090 Gene B. anthracis, der knapp 6000 in der gesamten Genoms, die zu sein scheinen, die Sporen Bildung.
Gen-Aktivität erfolgte in fünf Wellen überschneiden sich in einem Fünf-Stunden-Zeitraum, aber der eigentliche Bau der Sporensuspension nicht erst dann beginnen, wenn die vierte Welle der Gen-Expression.
Nach Hanna, das deutet darauf hin, dass eine überraschend hohe Zahl von Gen-Produkten in der Spore selbst sind nicht in Spore Bildung, sondern sind scavenged aus dem vegetativen Bacillus während des Prozesses.
"Denken Sie an diese Proteine als die Lieferungen für die ein Haus bauen - wie Holz, Nägel, und Gürtelrose", sagt Hanna.
"Viele dieser Proteine bereits in der Bazillus und kann recycelt werden, um die Sporen. Der erste Schritt ist es nicht, sie produzieren, sondern einfach, um sie alle an einem Ort und dann wieder zu verpacken sie in eine Sporensuspension. Andere Zubehör Gene enthalten Anweisungen für die regulatorischen Proteine und Enzyme, die Werkzeuge der Milzbrand-Bazillus nutzt, um seine Sporen. "
Daten aus der Studie hervor, dass Proteine, die bei der großen, fünfte Welle der Genexpression auch Teil der Sporensuspension sich. Dazu gehören Enzyme der Sporensuspension Bedarf für eine rasche Keimung, Virulenzfaktoren und Proteine, die bei der bakteriellen Zelle überleben in einem neuen Host-Umgebung.
"Wenn es in den Körper, der Sporensuspension alle Verdauungsenzyme muss innerhalb verpackt", erklärt Hanna. "Unmittelbar nach der Keimung, die Zelle kann essen, Multiplikation und Verbreitung im ganzen Körper."
Vollständige Daten aus der Zusammenarbeit der Untersuchung der Genom-und Proteom von B. anthracis Sporen wurde auf der National Center for Biotechnology Information Gene Expression Omnibus-Datenbank unter
www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?dg=geo., wo sie frei werden für die wissenschaftliche Gemeinschaft.
Hanna betont, dass, während die Daten sind sehr wertvoll für biomedizinische Forscher, es hat keinen Wert für die Nutzung von Milzbrand als biologische Waffe.
"Wir wollen, dass unsere Ergebnisse zur Verfügung stehen, um allen Universitäts-und Corporate-Forscher entwickeln Anthrax Spore Gegenmaßnahmen", sagt Hanna. "Die wissenschaftlichen Kenntnisse und Technologien entwickelt, durch die Zusammenarbeit können jetzt auf die nächste Stufe der Anthrax-Infektion - die Interaktion mit dem Rechner."
In der nächsten Phase ihrer Forschung, die Zusammenarbeit Wissenschaftler untersuchen Veränderungen in der Genexpression und Protein-Synthese, die auftreten, wenn der Milzbrand-Bazillus in Zellen des Immunsystems im Gastland.
"Die Spore ist der Erreger von Milzbrand. Es ist, wie das Bakterium bleibt in der natürlichen Umwelt, und ist es, was Terroristen manipulieren würde in einem bioterroristischen Anschlags ", sagt Brendan Thomason, eine UM Student und ein Co-Autor des Papiers.
"Um zu verstehen, wie das Bakterium verursacht Krankheit und entdecken Sie neue Methoden für die Anthrax-Behandlung und Prävention, Wissenschaftler brauchen ein tiefes Verständnis für die Feinheiten der Sporensuspension."
Weitere Mitarbeiter in der Studie gehören: Shamira Shallom, Alyson Hazen, David A. Rasko, Ph.D., Jacques Ravel, Ph.D., und Timothy D. Lesen, Ph.D., von TIGR, und UM Research Associate , Joseph Crossno.
Journal of Bacteriology, Vol.186, pp. 164-178, Jan. 2004
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