Бактерии используют широкий спектр сенсоров для мониторинга внутриклеточной и внеклеточной сред, а также для регуляции физиологии клеток, чтобы справиться с изменениями окружающей среды. Системы передачи сигналов в широком смысле можно разделить на две основные категории:
- однокомпонентные системы – сенсорные и выходные функции находятся в одном и том же полипептиде
- двухкомпонентные системы –они расположены на отдельных полипептидах.
Кроме того, другие молекулы, такие как нуклеиновые кислоты и липиды, также могут выступать в качестве датчиков. Некоторые из них, в основном малые молекулы РНК, могут вызвать ответ сами по себе, в то время как другие передают сигналы «партнерам» белка, которые вызывают ответ.
Секвенирование следующего поколения
Быстрое развитие нуклеотидного секвенирования следующего поколения (ДНК/РНК) также ускорило исследования в области лабораторной генетики. На сегодняшний день множество лабораторных геномов, содержащие хромосомы и плазмиды, были секвенированы практически полностью, некоторые из них несут в себе гены, которые могут оказывать влияние на устойчивость к стрессу и выживаемость при определенных стрессовых условиях. Однако, несколько лабораторных видов несут различное количество различных плазмид, что может вызвать небольшие трудности для их секвенирования генома. Для лабораторных исследований были описаны как конъюгативные, так и мобилизуемые плазмиды. Пластичность генома, обеспечиваемая этими плазмидами, а также другими подвижными элементами, такими как транспозоны и фаги, которые могут вводить дополнительные гены или активировать существующие гены, добавляет еще один слой сложности к пониманию полной широты стрессовой реактивности бактерии.
Поэтому последние достижения в области геномики начинают проливать еще больший свет на гены и регуляторные механизмы, участвующие в химических реакциях на стресс и стрессоустойчивость, которые включают в себя повышение устойчивости без потери функциональных свойств или в желудочно-кишечном выживании и стимуляции улучшения здоровья. Но хотя все эти механизмы могут улучшить выживание и облегчить доставку более жизнеспособных клеток в ЖКТ, неизвестно, как они могут повлиять на способность организма оказывать положительное влияние на здоровье хозяина.
По очевидным причинам, исследования реакций на стрессы, проводящиеся в лабораториях, пытаются сделать настолько естественными, чтобы бактериальной клетке «казалось», что она внутри организма-носителя. Это делается для того, чтобы полностью изучить естественную реакцию бактерии на стресс.
Что явно отстает в лабораторных исследованиях, особенно для пищевой и пробиотической бактерий, так это знание о возможной роли, которую малые РНК могут играть в лабораторных реакциях на стресс. Сокращение затрат и, вместе с тем, доступность стратегий секвенирования РНК с высокой пропускной способностью теперь открывают новые возможности.
Еще один вопрос, который требует внимания - это важность индивидуальности клеток в реагировании на стрессы. Клетки в бактериальной популяции, даже в очень однородной среде, могут значительно отличаться по химическим реакциям и по отношению к друг другу. Соотношение между двумя наблюдаемыми метаболическими фенотипами зависит от эпигенетических сигналов и от уровня подавления катаболитов углерода.
Экспериментальная эволюция
Одним огромным новым достижением, которому способствует геномная технология и способность к секвенированию следующего поколения, является экспериментальная эволюция, в ходе которой тщательно отобранные и контролируемые схемы отбора используются для отбора определенных полезных мутантов из популяции клеток. Впоследствии мутация может быть легко распознана с помощью полногеномного ресеквенирования, что позволяет быстро и подробно понять механизмы, участвующие в адаптации. Важно отметить, что экспериментальные стратегии эволюции обещают прямое применение адаптированной (улучшенной) пищевой, кормовой и пробиотической бактерии, поскольку она будет представлять собой негенетически измененные организмы (то есть без содержания какого-либо ГМО).
В целом, ожидается, что новые экспериментальные подходы, доступные сегодня, приведут к важным открытиям, которые могут быть применены в пищевой промышленности или в медицинских учреждениях для изучения бактерий. Или же будут разрабатываться новые подходы к изучению геномов клеток и их последующему секвенированию, что приведет к созданию полно-устойчивых клеток для желудочно-кишечного тракта, что позволит без проблем вылечить людей, страдающих различными заболеваниями, так как лекарство будет доставляться в нужной концентрации и в нужное место с помощью бактерий.
