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Utiliser l'évolution des bactéries contre elles-mêmes

Utiliser l'évolution des bactéries contre elles-mêmes


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Nous savons que des mutations se produisent régulièrement dans les bactéries et aussi qu'une bactérie peut obtenir la mutation et devenir plus forte que les autres et ainsi survivre, provoquant également une résistance aux antibiotiques. Pouvons-nous délibérément faire des mutations dans des bactéries qui nuiraient à d'autres bactéries mais pas aux humains. Cela les rendrait non seulement plus forts et donc leur permettrait de survivre mais réduirait le besoin même d'antibiotiques car ils seraient moins virulents pour l'homme ?


La mutation des bactéries est une idée très plausible. Si vous faites muter une souche particulière de bactéries « utiles » pour devenir extrêmement positivement sélectionnée dans l'environnement actuel, il est alors possible que le reste des bactéries interagissant avec votre nouvelle bactérie mutée soit confrontée à une forte concurrence et finisse par mourir.

Cependant, le principal trou de l'idée est que les bactéries subissent régulièrement un transfert horizontal de gènes, ce qui rend cette idée extrêmement, extrêmement dangereuse pour l'homme. (Si votre bactérie mutée transmet accidentellement le gène muté à, disons, une bactérie qui cause la tuberculose, cela déclencherait une pandémie. Il est également possible qu'une bactérie dangereuse transfère ses gènes à votre bactérie mutée.) Il est généralement accepté. que des bactéries mutantes ou d'autres agents pathogènes (dont la plupart mutent à des taux élevés) est généralement une mauvaise idée, car une fois libérés dans l'environnement, les possibilités de mutation détraquée sont élevées (d'autres mutations pourraient les rendre dangereuses).

Transfert horizontal de gènes : transfert de gènes dû à des processus de recombinaison tels que la transduction, la transformation et la conjugaison qui peuvent se produire entre des bactéries de souches, espèces, domaines identiques ou différents. etc


Retourner les bactéries contre elles-mêmes

Les bactéries attaquent souvent avec des toxines conçues pour détourner ou même tuer les cellules hôtes. Pour éviter l'autodestruction, les bactéries ont des moyens de se protéger de leurs propres toxines.

Maintenant, des chercheurs de la Washington University School of Medicine à St. Louis ont décrit l'un de ces mécanismes de protection, ouvrant potentiellement la voie à de nouvelles classes d'antibiotiques qui provoquent l'activation des toxines de la bactérie.

Les scientifiques ont déterminé les structures d'une toxine et de son antitoxine dans Streptocoque pyogène, des bactéries courantes qui causent des infections allant de l'angine streptococcique à des affections potentiellement mortelles comme le rhumatisme articulaire aigu. Dans Strep, l'antitoxine est liée à la toxine d'une manière qui maintient la toxine inactive.

"Strep doit exprimer cet antidote, pour ainsi dire", déclare Craig L. Smith, PhD, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'article paru le 9 février dans la revue. Structure. "S'il n'y avait pas d'antitoxine, la bactérie se tuerait."

Dans cet esprit, Smith et ses collègues ont peut-être trouvé un moyen de rendre l'antitoxine inactive. Ils ont découvert que lorsque l'antitoxine n'est pas liée, elle change de forme.

"C'est le talon d'Achille que nous aimerions exploiter", déclare Thomas E. Ellenberger, DVM, PhD, professeur Raymond H. Wittcoff et chef du département de biochimie et de biophysique moléculaire à la Faculté de médecine. "Un médicament qui stabiliserait la forme inactive du facteur d'immunité libérerait la toxine dans la bactérie."

Dans ce cas, la toxine est appelée Streptocoque pyogène bêta-NAD+ glycohydrolase, ou SPN. L'année dernière, le coauteur Michael G. Caparon, PhD, professeur de microbiologie moléculaire, et ses collègues du Center for Women's Infectious Disease Research ont montré que la toxicité du SPN découle de sa capacité à utiliser toutes les réserves cellulaires de NAD+, un composant essentiel dans alimenter le métabolisme cellulaire. L'antitoxine, connue sous le nom de facteur d'immunité pour le SPN, ou IFS, agit en bloquant l'accès du SPN au NAD+, protégeant ainsi le système d'approvisionnement énergétique de la bactérie.

Une fois les structures déterminées, les chercheurs peuvent désormais tester d'éventuels médicaments qui pourraient forcer l'antitoxine à rester non liée à la toxine, laissant ainsi la toxine libre d'attaquer ses propres bactéries.

"L'aspect le plus important de la structure est qu'elle nous en dit long sur la façon dont l'antitoxine bloque l'activité de la toxine et épargne la bactérie", explique Ellenberger.

Comprendre comment ces bactéries provoquent des maladies chez l'homme est important dans la conception de médicaments.

"Il y a une guerre entre les bactéries et leurs hôtes", dit Smith. "Les bactéries sécrètent des toxines et nous avons des moyens de contre-attaquer grâce à notre système immunitaire et à l'aide d'antibiotiques. Mais, à mesure que les bactéries développent une résistance aux antibiotiques, nous devons développer de nouvelles générations d'antibiotiques."

De nombreux types de bactéries ont développé cette méthode toxine-antitoxine pour attaquer les cellules hôtes tout en se protégeant. Mais aujourd'hui, aucune classe de médicaments ne vise l'action protectrice des molécules antitoxines de la bactérie.

"De toute évidence, ils pourraient développer une résistance une fois que vous ciblez l'antitoxine", explique Ellenberger. "Mais ce serait une nouvelle cible. Comprendre les structures est la clé de voûte de la conception d'un médicament."

Source de l'histoire :

Matériel fourni par École de médecine de l'Université de Washington. Original écrit par Julia Evangelou Strait. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.


Interactions antimicrobiennes : mécanismes et implications pour la découverte de médicaments et l'évolution de la résistance

Les combinaisons d'antibiotiques conduisent à des interactions médicamenteuses synergiques et antagonistes.

Les mécanismes sous-jacents des interactions médicamenteuses peuvent être élucidés à l'aide de nouvelles techniques.

Les interactions médicamenteuses offrent des opportunités pour la découverte de médicaments.

Les traitements multimédicaments peuvent exploiter les compromis évolutifs pour ralentir l'évolution de la résistance.

Des principes généraux peuvent permettre la prédiction de réponses cellulaires à des combinaisons de médicaments.

L'association d'antibiotiques est une stratégie prometteuse pour augmenter l'efficacité des traitements et contrôler l'évolution de la résistance. Lorsque des médicaments sont combinés, leurs effets sur les cellules peuvent être amplifiés ou affaiblis, c'est-à-dire que les médicaments peuvent présenter des interactions synergiques ou antagonistes. Des travaux récents ont révélé les mécanismes sous-jacents de ces interactions médicamenteuses en élucidant les effets conjoints des médicaments sur la physiologie cellulaire. De plus, il a été démontré que de nouvelles stratégies de traitement qui utilisent des combinaisons de médicaments pour exploiter les compromis évolutifs affectent le taux d'évolution de la résistance de manière prévisible. Des études à haut débit ont en outre identifié des candidats médicaments sur la base de leurs interactions avec des antibiotiques établis et des principes généraux permettant de prédire les interactions médicamenteuses ont été suggérés. Dans l'ensemble, les fondements conceptuels et techniques de la conception rationnelle de puissantes combinaisons de médicaments se développent rapidement.


Le nom Déinocoque radiodurans dérive du grec ancien δεινός (deinos) et (kokkos) signifiant "grain/baie terrible" et le latin rayon et durare, signifiant « survivre aux radiations ». L'espèce s'appelait autrefois Micrococcus radiodurans. En raison de sa rusticité, il a été surnommé « Conan la Bactérie », en référence à Conan le Barbare. [2]

Initialement, il a été placé dans le genre Microcoque. Après évaluation des séquences d'ARN ribosomique et d'autres preuves, il a été placé dans son propre genre Déinocoque, qui est étroitement lié au genre Thermes. Le terme "Déinocoque-Thermus groupe" est parfois utilisé pour désigner les membres de Déinocoque et Thermes. [3]

Déinocoque est un genre de trois dans l'ordre Déinocoques. D. radiodurans est l'espèce type de ce genre, et le membre le mieux étudié. Tous les membres connus du genre sont radiorésistants : D. protéolyticus, D. radiopugnans, D. radiophilus, D. grandis, D. indicus, D. frigens, D. saxicola, D. marmoris, D. déserti, [4] D. géothermie, et D. murrayi les deux derniers sont également thermophiles. [5]

D. radiodurans a été découvert en 1956 par Arthur Anderson à l'Oregon Agricultural Experiment Station à Corvallis, Oregon. [6] Des expériences étaient en cours pour déterminer si les aliments en conserve pouvaient être stérilisés en utilisant de fortes doses de rayonnement gamma. Une boîte de viande a été exposée à une dose de rayonnement censée tuer toutes les formes de vie connues, mais la viande s'est par la suite abîmée, et D. radiodurans était isolé.

La séquence complète d'ADN de D. radiodurans a été publié en 1999 par l'Institute for Genomic Research. Une annotation et une analyse détaillées du génome sont apparues en 2001. [3] La souche séquencée était ATCC BAA-816.

Déinocoque radiodurans a une qualité unique dans laquelle il peut réparer l'ADN simple et double brin. Lorsque des dommages sont apparents à la cellule, elle amène l'ADN endommagé dans une structure en forme d'anneau compartimentée où l'ADN est réparé, puis est capable de fusionner les nucléoïdes de l'extérieur du compartiment avec l'ADN endommagé. [7]

En août 2020, des scientifiques ont signalé que des bactéries de la Terre, en particulier Déinocoque radiodurans bactéries, ont survécu pendant trois ans dans l'espace, sur la base d'études menées sur la Station spatiale internationale (ISS). Ces découvertes soutiennent la notion de panspermie, l'hypothèse selon laquelle la vie existe dans tout l'Univers, distribuée de diverses manières, y compris la poussière spatiale, les météorites, les astéroïdes, les comètes, les planétoïdes ou les engins spatiaux contaminés. [8] [9] En octobre 2020, des études connexes après un an d'exposition en dehors de l'ISS ont été rapportées. [dix]

D. radiodurans est une bactérie sphérique assez grande, avec un diamètre de 1,5 à 3,5 m. [11] Quatre cellules collent normalement ensemble, formant une tétrade. Les bactéries sont facilement cultivées et ne semblent pas causer de maladie. [3] Dans des conditions de croissance contrôlées, des cellules de morphologies dimères, tétramères et même multimères peuvent être obtenues. [11] Les colonies sont lisses, convexes et de couleur rose à rouge. Les cellules se colorent à Gram positif, bien que son enveloppe cellulaire soit inhabituelle et rappelle les parois cellulaires des bactéries à Gram négatif. [12]

D. radiodurans ne forme pas d'endospores et est immobile. C'est un chimioorganohétérotrophe aérobie obligatoire, c'est-à-dire qu'il utilise l'oxygène pour tirer de l'énergie des composés organiques de son environnement. On le trouve souvent dans des habitats riches en matières organiques, telles que les eaux usées, la viande, les matières fécales ou le sol, mais a également été isolé des instruments médicaux, de la poussière ambiante, des textiles et des aliments séchés. [12]

Il est extrêmement résistant aux rayonnements ionisants, à la lumière ultraviolette, à la dessiccation et aux agents oxydants et électrophiles. [13]

Son génome est constitué de deux chromosomes circulaires, l'un long de 2,65 millions de paires de bases et l'autre long de 412 000 paires de bases, ainsi qu'un mégaplasmide de 177 000 paires de bases et un plasmide de 46 000 paires de bases. Il possède environ 3 195 gènes. Dans sa phase stationnaire, chaque cellule bactérienne contient quatre copies de ce génome lorsqu'elle se multiplie rapidement, chaque bactérie contient 8 à 10 copies du génome.

D. radiodurans est capable de résister à une dose aiguë de 5 000 grays (Gy), ou 500 000 rad, de rayonnement ionisant presque sans perte de viabilité, et à une dose aiguë de 15 000 Gy avec 37 % de viabilité. [14] [15] [16] Une dose de 5 000 Gy est estimée introduire plusieurs centaines de cassures double brin (DSB) dans l'ADN de l'organisme (

0,005 DSB/Gy/Mbp (génome haploïde)). À titre de comparaison, une mission de radiographie pulmonaire ou Apollo implique environ 1 mGy, 5 Gy peuvent tuer un humain, 200-800 Gy tueront E. coli, et plus de 4 000 Gy tueront le tardigrade résistant aux radiations.

Plusieurs bactéries de radiorésistance comparable sont maintenant connues, dont certaines espèces du genre Chroococcidiopsis (phylum cyanobactéries) et certaines espèces de Rubrobacter (phylum actinobactéries) parmi les archées, l'espèce Thermococcus gammatolerans montre une radiorésistance comparable. [5] Déinocoque radiodurans possède également une capacité unique à réparer l'ADN endommagé. Il isole les segments endommagés dans une zone contrôlée et les répare. Ces bactéries peuvent également réparer de nombreux petits fragments d'un chromosome entier. [17]

Déinocoque accomplit sa résistance aux radiations en ayant de multiples copies de son génome et des mécanismes de réparation rapide de l'ADN. Il répare généralement les cassures de ses chromosomes en 12 à 24 heures par un processus en 2 étapes. D'abord, D. radiodurans reconnecte certains fragments de chromosomes par un processus appelé annelage simple brin. Dans la deuxième étape, plusieurs protéines réparent les cassures double brin par recombinaison homologue. Ce processus n'introduit pas plus de mutations qu'un cycle normal de réplication ne le ferait.

L'analyse par microscopie électronique à balayage a montré que l'ADN dans D. radiodurans est organisé en tores serrés, ce qui peut faciliter la réparation de l'ADN. [18]

Une équipe de chercheurs croates et français dirigée par Miroslav Radman a bombardé D. radiodurans pour étudier le mécanisme de réparation de l'ADN. Au moins deux copies du génome, avec des cassures d'ADN aléatoires, peuvent former des fragments d'ADN par annelage. Des fragments partiellement chevauchants sont ensuite utilisés pour la synthèse de régions homologues à travers une boucle D mobile qui peut continuer l'extension jusqu'à ce que les fragments trouvent des brins partenaires complémentaires. Dans l'étape finale, il y a croisement au moyen d'une recombinaison homologue RecA-dépendante. [19]

D. radiodurans est capable de transformation génétique, un processus par lequel l'ADN dérivé d'une cellule peut être absorbé par une autre cellule et intégré dans le génome receveur par recombinaison homologue. [20] Lorsque des dommages à l'ADN (par exemple, des dimères de pyrimidine) sont introduits dans l'ADN du donneur par irradiation UV, les cellules receveuses réparent efficacement les dommages dans l'ADN en transformation, comme elles le font dans l'ADN cellulaire, lorsque les cellules elles-mêmes sont irradiées.

Michael Daly a suggéré que la bactérie utilise des complexes de manganèse comme antioxydants pour se protéger contre les dommages causés par les radiations. [21] En 2007, son équipe a montré que des niveaux intracellulaires élevés de manganèse(II) dans D. radiodurans protéger les protéines contre l'oxydation par les radiations, et ils ont proposé l'idée que « les protéines, plutôt que l'ADN, sont la cible principale de l'action biologique des [rayonnements ionisants] dans les bactéries sensibles, et une résistance extrême chez les bactéries accumulatrices de Mn est basée sur les protéines protection". [22] En 2016, Massimiliano Peana et al. ont rapporté une étude spectroscopique par RMN, EPR et ESI-MS sur l'interaction du Mn(II) avec deux peptides, DP1 (DEHGTAVMLK) et DP2 (THMVLAKGED), dont la composition en acides aminés a été sélectionnée pour inclure la majorité des acides aminés les plus répandus. acides présents dans un extrait acellulaire de la bactérie Deinococcus radiodurans qui contient des composants capables de conférer une résistance extrême aux rayonnements ionisants. [23] En 2018, M. Peana et C. Chasapis ont rapporté par une approche combinée de stratégies bioinformatiques basées sur des données structurelles et des annotations, les protéines de liaison au Mn(II) codées par le génome de DR et ont proposé un modèle d'interaction du manganèse avec Réseau de protéome DR impliqué dans la réponse et la défense des ROS. [24]

Une équipe de scientifiques russes et américains a proposé que la radiorésistance de D. radiodurans avait une origine martienne. Ils ont suggéré que l'évolution du micro-organisme aurait pu avoir lieu sur la surface martienne jusqu'à ce qu'il soit livré à la Terre sur une météorite. [25] Cependant, outre sa résistance aux radiations, Déinocoque est génétiquement et biochimiquement très similaire à d'autres formes de vie terrestres, plaidant contre une origine extraterrestre qui ne leur est pas commune.

En 2009, il a été rapporté que l'oxyde nitrique jouait un rôle important dans la récupération de la bactérie après une exposition aux rayonnements : le gaz est nécessaire à la division et à la prolifération une fois que les dommages à l'ADN ont été réparés. Un gène a été décrit qui augmente la production d'oxyde nitrique après un rayonnement UV, et en l'absence de ce gène, les bactéries étaient toujours capables de réparer les dommages à l'ADN, mais ne se développeraient pas. [26]

Une question persistante concernant D. radiodurans C'est ainsi qu'un tel degré de radiorésistance pourrait évoluer. Les niveaux de rayonnement de fond naturel sont très faibles - dans la plupart des endroits, de l'ordre de 0,4 mGy par an, et le rayonnement de fond connu le plus élevé, près de Ramsar, en Iran, n'est que de 260 mGy par an. Avec des niveaux de rayonnement de fond naturels si faibles, il est peu probable que les organismes développent des mécanismes spécifiquement pour conjurer les effets d'un rayonnement élevé.

Valerie Mattimore de la Louisiana State University a suggéré la radiorésistance de D. radiodurans est simplement un effet secondaire d'un mécanisme de traitement de la dessiccation cellulaire prolongée (sécheresse). Pour étayer cette hypothèse, elle a réalisé une expérience dans laquelle elle a démontré que des souches mutantes de D. radiodurans qui sont très sensibles aux dommages causés par les rayonnements ionisants sont également très sensibles aux dommages causés par une dessiccation prolongée, tandis que la souche de type sauvage est résistante aux deux. [27] En plus de la réparation de l'ADN, D. radiodurans utilisent l'expression des protéines LEA (Late Embryogenese Abundant protein) [28] pour protéger contre la dessiccation. [29]

Dans ce contexte, la robuste couche S de D. radiodurans à travers son principal complexe protéique, le S-layer Deinoxanthin Binding Complex (SDBC), contribue fortement à son extrême radiorésistance. En fait, cette couche S agit comme un bouclier contre le stress électromagnétique, comme dans le cas d'une exposition aux rayonnements ionisants, mais stabilise également la paroi cellulaire contre d'éventuelles températures élevées et la dessiccation qui en résultent. [30] [31]


Bactéries suicidaires : les biologistes étudient les organismes unicellulaires qui s'empoisonnent parfois avec une toxine

Une culture liquide typique de la cyanobactérie Synechocystis.

La cyanobactérie Synechocystis produit des toxines qui conduisent souvent à sa propre disparition. Les biologistes Stefan Kopfmann et Prof. Dr. Wolfgang Hess de l'Université de Fribourg ont déterminé la logique régissant ce mécanisme. Leurs découvertes ont été publiées dans les périodiques renommés Journal de chimie biologique (JBC) et Bibliothèque publique des sciences (PLoS UN).

La cyanobactérie Synechocystis produit plusieurs toxines. Cependant, la plupart du temps, ils ne peuvent pas devenir actifs car l'organisme unicellulaire ne les produit généralement qu'avec une antitoxine qui neutralise leur effet toxique. C'est une astuce de la nature : les gènes de la toxine et de l'antitoxine sont situés ensemble sur un plasmide, c'est-à-dire un fragment d'ADN qui existe indépendamment du chromosome bactérien réel. Contrairement à la toxine, l'antitoxine n'est pas très stable. Lorsqu'une cellule perd le plasmide lors de la division cellulaire, les deux gènes sont perdus. Étant donné que la toxine est plus stable que l'antitoxine et est donc efficace pendant une plus longue période de temps, ces cellules finissent par mourir. Ainsi, les couples toxine-antitoxine constituent un mécanisme de sélection naturelle qui fait en sorte que seules les cellules qui retiennent le plasmide survivent.

Le plasmide pSYSA de la cyanobactérie Synechocystis possède non pas un mais sept systèmes différents de ce genre et est donc bien protégé. La raison en est qu'en plus des gènes des sept paires toxine-antitoxine, le plasmide pSYSA possède l'information génétique d'un système immunitaire bactérien. Si le plasmide avec ce système se perd dans la division cellulaire, plusieurs toxines veillent donc à ce que la bactérie soit tuée. Le fait que les gènes qui en sont responsables soient combinés avec une grande quantité de paires toxine-antitoxine indique que ce système a une importance particulière pour la cellule cyanobactérienne.


Les bactéries « mélangent » leur génétique pour développer une résistance aux antibiotiques à la demande

Pour arrêter la résistance aux antibiotiques, les scientifiques doivent savoir comment les bactéries deviennent résistantes. Crédit : Jarun Ontakrai/Shutterstock

La résistance aux antibiotiques, c'est-à-dire la capacité des bactéries nocives à survivre au traitement antibiotique, est une menace croissante. Cela rend plus difficile le traitement des infections potentiellement mortelles, y compris la tuberculose, le SARM et la gonorrhée, et augmente les risques d'une intervention chirurgicale même mineure.

Afin de résoudre la résistance aux antibiotiques, une chose que les chercheurs doivent d'abord comprendre est comment empêcher la résistance de se produire pour commencer. Une étude récente que j'ai menée avec des collègues de l'Université d'Oxford a contribué à accroître cette compréhension en montrant que les bactéries peuvent réorganiser intelligemment leur génétique afin d'échapper aux effets d'un antibiotique.

Les bactéries ont de multiples façons de développer leur résistance. Ils peuvent muter pour empêcher les antibiotiques de les cibler, ce qui peut être fait en modifiant les protéines dans la cellule où les antibiotiques agissent. Ils peuvent également acquérir des gènes qui les aident à produire des molécules destructrices d'antibiotiques, appelées enzymes.

Cependant, toutes ces stratégies ont un coût pour les bactéries résistantes. La production d'enzymes de résistance demande beaucoup d'énergie. Les protéines modifiées ne peuvent pas non plus fonctionner aussi efficacement qu'auparavant. Ces deux facteurs entravent gravement les bactéries et les ralentissent en l'absence d'antibiotiques. Cela conduit les bactéries résistantes à perdre la compétition avec d'autres bactéries pour les nutriments et les ressources précieuses, menaçant leur survie.

Le coût de la résistance aux antibiotiques. Crédit : Célia Souque

Mais les bactéries résistantes ont trouvé le moyen de devenir résistantes aux antibiotiques tout en limitant les coûts qui y sont associés. Ma récente étude a montré comment un tel mécanisme, impliquant quelque chose appelé intégron, offre aux bactéries un potentiel incroyable pour acquérir des niveaux élevés de résistance tout en réduisant son coût énergétique. Cela permet aux bactéries résistantes aux antibiotiques de survivre et de prospérer plus facilement.

Les intégrons sont des fragments d'ADN, propres aux bactéries, qui permettent aux bactéries de stocker les gènes qu'elles acquièrent auprès d'autres bactéries résistantes. Ces gènes de résistance s'alignent les uns après les autres dans le génome de la bactérie pour former des « arrays ». La position des gènes dans le réseau a un impact important sur les niveaux de résistance des bactéries.

Les gènes qui sont présents vers le début du réseau sont fortement exprimés (ce qui signifie qu'ils sont activement utilisés) et offrent des niveaux élevés de résistance. Les gènes à l'arrière sont gardés silencieux et peuvent être conservés à faible coût, réduisant ainsi leur impact sur les bactéries.

En plus de cela, les intégrons sont livrés avec une astuce fantastique : une enzyme, appelée intégrase, qui permet aux bactéries de couper et de déplacer des gènes dans le réseau lorsque les bactéries sont en danger. On pense que l'intégrase fournit aux bactéries la capacité de « mélanger » l'ordre de leurs gènes, permettant aux bactéries de moduler leurs niveaux de résistance à la demande. Notre étude a été la première à tester cette hypothèse.

Pour voir à quel point les intégrons peuvent être utiles pour les bactéries, nous avons construit des intégrons personnalisés en laboratoire qui contenaient un gène de résistance pertinent en dernière position. Certains ont été conçus pour avoir une enzyme intégrase dysfonctionnelle, ce qui les empêcherait de déplacer leurs gènes. Cela nous a permis de mesurer l'impact du brassage de gènes sur la résistance aux antibiotiques.

Nous avons ensuite utilisé une approche appelée évolution expérimentale où nous avons mis au défi des bactéries avec des doses croissantes d'antibiotiques et observé combien de temps elles ont survécu. Cette technique nous a permis de mesurer directement dans quelle mesure les bonnes bactéries évoluent en résistance.

Nous avons montré que les bactéries capables de mélanger leurs gènes survivaient plus longtemps et développaient une résistance plus fréquemment que celles qui ne le pouvaient pas. Cela montre comment les intégrons peuvent aider les bactéries à développer des niveaux élevés de résistance aux antibiotiques en réponse au traitement avec des antibiotiques.

Fait intéressant, ce remaniement était souvent lié à la perte des autres gènes de résistance présents dans la bactérie. En mélangeant les gènes pour devenir résistants à l'antibiotique que nous avons choisi, les bactéries ont perdu certains de leurs autres gènes de résistance au cours du processus, redevenant sensibles à ces autres antibiotiques.

Les résultats de notre étude fournissent des stratégies potentielles pour contrer les intégrons et leur rôle dans l'évolution de la résistance. Par exemple, les antibiotiques pourraient être combinés avec des médicaments qui peuvent inhiber l'enzyme intégrase pour réduire le brassage des gènes. Les médicaments qui arrêtent la "réponse SOS" de la bactérie - la réaction de dernier recours de la bactérie aux antibiotiques - limiteraient également le brassage des intégrons. Les médicaments dits « anti-évolution », qui ne tuent pas directement les bactéries mais aident à prévenir l'évolution de la résistance, sont actuellement un domaine de recherche actif.

Une autre alternative serait d'exploiter le brassage d'intégrons pour favoriser la perte de gènes de résistance en passant par différents antibiotiques. Cela orienterait l'évolution des bactéries d'une manière qui les rendrait sensibles à des antibiotiques auparavant inutilisables.

Les intégrons ont évolué pour la première fois il y a des millions d'années. Mais maintenant, ils se sont avérés être un mécanisme particulièrement adapté pour que les bactéries s'adaptent à l'utilisation d'antibiotiques par les humains et développent une résistance à ces derniers.

Bien que les antibiotiques sauvent d'innombrables vies chaque année, ils doivent également être utilisés avec précaution pour éviter la propagation de bactéries et de maladies résistantes aux antibiotiques. Mieux comprendre comment les bactéries développent la résistance nous permettra d'améliorer la façon dont nous utilisons nos antibiotiques actuels, ainsi que ceux que nous développerons à l'avenir.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.


Contenu

Toutes les plantes et tous les animaux, des formes de vie simples aux humains, vivent en étroite association avec des organismes microbiens. [12] Plusieurs avancées ont guidé la perception des microbiomes, notamment :

  • la capacité d'effectuer des analyses génomiques et d'expression génique de cellules individuelles et de communautés microbiennes entières dans les disciplines de la métagénomique et de la métatranscriptomique[13]
  • bases de données accessibles aux chercheurs de plusieurs disciplines [13]
  • méthodes d'analyse mathématique adaptées à des ensembles de données complexes [13]

Les biologistes en sont venus à comprendre que les microbes constituent une partie importante du phénotype d'un organisme, bien au-delà de l'étude de cas symbiotique occasionnelle. [13]

Types de relations microbe-hôte Modifier

Le commensalisme, un concept développé par Pierre-Joseph van Beneden (1809-1894), professeur belge à l'Université de Louvain au XIXe siècle [14] est au cœur du microbiome, où le microbiote colonise un hôte dans une coexistence non nocive. La relation avec leur hôte est dite mutualiste lorsque les organismes effectuent des tâches qui sont connues pour être utiles pour l'hôte, [15] : 700 [16] parasitaires, lorsque désavantageuses pour l'hôte. D'autres auteurs définissent une situation comme mutualiste où les deux bénéficient, et commensal, où l'hôte non affecté profite au symbiote. [17] Un échange de nutriments peut être bidirectionnel ou unidirectionnel, peut dépendre du contexte et peut se produire de diverses manières. [17] Les microbiotes dont on s'attend à ce qu'ils soient présents et qui, dans des circonstances normales, ne causent pas de maladie, sont réputés flore normale ou microbiote normal [15] la flore normale peut non seulement être inoffensive, mais peut également protéger l'hôte. [18]

Acquisition et changement Modifier

L'acquisition initiale du microbiote chez les animaux, des mammifères aux éponges marines, se fait à la naissance et peut même se produire à travers la lignée de cellules germinales. Chez les plantes, le processus de colonisation peut être initié sous terre dans la zone racinaire, autour de la graine en germination, la spermosphère, ou provenir des parties aériennes, la phyllosphère et la zone florale ou anthosphère. [19] La stabilité du microbiote de la rhizosphère au fil des générations dépend du type de plante mais plus encore de la composition du sol, c'est-à-dire du milieu vivant et non vivant. [20] Cliniquement, un nouveau microbiote peut être acquis par greffe de microbiote fécal pour traiter des infections telles que les infections chroniques. C. difficile infection. [21]

Humains Modifier

Le microbiote humain comprend des bactéries, des champignons, des archées et des virus. Les micro-animaux qui vivent sur le corps humain sont exclus. Le microbiome humain fait référence à leurs génomes. [15]

Les humains sont colonisés par de nombreux micro-organismes, l'estimation traditionnelle était que les humains vivent avec dix fois plus de cellules non humaines que de cellules humaines. Des estimations plus récentes ont abaissé ce chiffre à 3:1 et même à environ 1:1. [22] [23] [24] [25]

En fait, ceux-ci sont si petits qu'il y a environ 100 000 milliards de microbiotes sur le corps humain, ce qui est plus élevé que le nombre de personnes sur Terre. [26]

Le Human Microbiome Project a séquencé le génome du microbiote humain, en se concentrant particulièrement sur le microbiote qui habite normalement la peau, la bouche, le nez, le tube digestif et le vagin. [15] Elle a franchi une étape importante en 2012 avec la publication des premiers résultats. [27]

Animaux non humains Modifier

  • Les amphibiens ont un microbiote sur leur peau. [28] Certaines espèces sont capables de transporter un champignon nommé Batrachochytrium dendrobatidis, qui chez d'autres peuvent provoquer une infection mortelle Chytridiomycose en fonction de leur microbiome, résistant à la colonisation par des agents pathogènes ou inhibant leur croissance avec des peptides cutanés antimicrobiens. [29]
  • Chez les mammifères, les herbivores tels que les bovins dépendent de leur microbiome ruminal pour convertir la cellulose en protéines, en acides gras à chaîne courte et en gaz. Les méthodes de culture ne peuvent pas fournir d'informations sur tous les micro-organismes présents. Des études métagénomiques comparatives ont donné le résultat surprenant que les bovins individuels possèdent des structures communautaires, des phénotypes prédits et des potentiels métaboliques nettement différents, [30] même s'ils étaient nourris avec des régimes identiques, étaient logés ensemble et étaient apparemment fonctionnellement identiques dans leur utilisation de la paroi cellulaire végétale. Ressources. sont devenus les mammifères les plus étudiés en ce qui concerne leurs microbiomes. Le microbiote intestinal a été étudié en relation avec les maladies allergiques des voies respiratoires, l'obésité, les maladies gastro-intestinales et le diabète. Le déplacement périnatal du microbiote par des antibiotiques à faible dose peut avoir des effets durables sur la susceptibilité future aux maladies allergiques des voies respiratoires. La fréquence de certains sous-ensembles de microbes a été liée à la gravité de la maladie. La présence de microbes spécifiques au début de la vie postnatale instruit les futures réponses immunitaires. [31][32] Chez les souris gnotobiotiques, certaines bactéries intestinales transmettaient un phénotype particulier aux souris receveuses sans germe, favorisant l'accumulation de cellules T régulatrices du côlon et des souches modulant l'adiposité de la souris et les concentrations de métabolites caecaux. [33] Cette approche combinatoire permet une compréhension au niveau des systèmes des contributions microbiennes à la biologie humaine. [34] Mais aussi d'autres tissus mucoïdes comme le poumon et le vagin ont été étudiés en relation avec des maladies telles que l'asthme, l'allergie et la vaginose. [35]
  • Les insectes ont leurs propres microbiomes. Par exemple, les fourmis coupeuses de feuilles forment d'énormes colonies souterraines qui récoltent des centaines de kilogrammes de feuilles chaque année et sont incapables de digérer directement la cellulose des feuilles. Ils entretiennent des jardins de champignons comme principale source de nourriture de la colonie. Alors que le champignon lui-même ne digère pas la cellulose, une communauté microbienne contenant une diversité de bactéries le fait. L'analyse du génome de la population microbienne a révélé de nombreux gènes jouant un rôle dans la digestion de la cellulose. Le profil enzymatique de dégradation des glucides prédit de ce microbiome est similaire à celui du rumen bovin, mais la composition des espèces est presque entièrement différente. [36] Le microbiote intestinal de la mouche des fruits peut affecter l'apparence de son intestin, en affectant le taux de renouvellement épithélial, l'espacement cellulaire et la composition des différents types de cellules dans l'épithélium. [37] Lorsque le papillon Spodoptera exigua est infecté par le baculovirus, les gènes liés au système immunitaire sont régulés à la baisse et la quantité de son microbiote intestinal augmente. [38] Dans l'intestin des diptères, les cellules entéroendocrines détectent les métabolites dérivés du microbiote intestinal et coordonnent les branches antibactériennes, mécaniques et métaboliques de la réponse immunitaire innée intestinale de l'hôte au microbiote commensal. [39]
  • Les poissons ont leurs propres microbiomes, y compris l'espèce à courte durée de vie Nothobranchius furzeri (killifish turquoise). Le transfert du microbiote intestinal de jeunes killfish à des killifish d'âge moyen prolonge considérablement la durée de vie des killfish d'âge moyen. [40]

Plantes Modifier

On a récemment découvert que le microbiome du plan provenait de la graine. [42] Les micro-organismes transmis par les graines migrent dans la plantule en développement par une voie spécifique dans laquelle certaines communautés se déplacent vers les feuilles et d'autres vers les racines. [42] In the diagram on the right, microbiota colonizing the rhizosphere, entering the roots and colonizing the next tuber generation via the stolons, are visualized with a red color. Bacteria present in the mother tuber, passing through the stolons and migrating into the plant as well as into the next generation of tubers are shown in blue. [41]

  • The soil is the main reservoir for bacteria that colonize potato tubers
  • Bacteria are recruited from the soil more or less independent of the potato variety
  • Bacteria might colonize the tubers predominantly from the inside of plants via the stolon
  • The bacterial microbiota of potato tubers consists of bacteria transmitted from one tuber generation to the next and bacteria recruited from the soil colonize potato plants via the root. [41]

Plants are attractive hosts for microorganisms since they provide a variety of nutrients. Microorganisms on plants can be epiphytes (found on the plants) or endophytes (found inside plant tissue). [43] [44] Oomycetes and fungi have, through convergent evolution, developed similar morphology and occupy similar ecological niches. They develop hyphae, threadlike structures that penetrate the host cell. In mutualistic situations the plant often exchanges hexose sugars for inorganic phosphate from the fungal symbiont. It is speculated that such very ancient associations have aided plants when they first colonized land. [17] [45] Plant-growth promoting bacteria (PGPB) provide the plant with essential services such as nitrogen fixation, solubilization of minerals such as phosphorus, synthesis of plant hormones, direct enhancement of mineral uptake, and protection from pathogens. [46] [47] PGPBs may protect plants from pathogens by competing with the pathogen for an ecological niche or a substrate, producing inhibitory allelochemicals, or inducing systemic resistance in host plants to the pathogen [19]

The symbiotic relationship between a host and its microbiota is under laboratory research for how it may shape the immune system of mammals. [48] [49] In many animals, the immune system and microbiota may engage in "cross-talk" by exchanging chemical signals, which may enable the microbiota to influence immune reactivity and targeting. [50] Bacteria can be transferred from mother to child through direct contact and after birth. [51] As the infant microbiome is established, commensal bacteria quickly populate the gut, prompting a range of immune responses and "programming" the immune system with long-lasting effects. [50] The bacteria are able to stimulate lymphoid tissue associated with the gut mucosa, which enables the tissue to produce antibodies for pathogens that may enter the gut. [50]

The human microbiome may play a role in the activation of toll-like receptors in the intestines, a type of pattern recognition receptor host cells use to recognize dangers and repair damage. Pathogens can influence this coexistence leading to immune dysregulation including and susceptibility to diseases, mechanisms of inflammation, immune tolerance, and autoimmune diseases. [52] [53]

Organisms evolve within ecosystems so that the change of one organism affects the change of others. The hologenome theory of evolution proposes that an object of natural selection is not the individual organism, but the organism together with its associated organisms, including its microbial communities.

Coral reefs. The hologenome theory originated in studies on coral reefs. [54] Coral reefs are the largest structures created by living organisms, and contain abundant and highly complex microbial communities. Over the past several decades, major declines in coral populations have occurred. Climate change, water pollution and over-fishing are three stress factors that have been described as leading to disease susceptibility. Over twenty different coral diseases have been described, but of these, only a handful have had their causative agents isolated and characterized. Coral bleaching is the most serious of these diseases. In the Mediterranean Sea, the bleaching of Oculina patagonica was first described in 1994 and shortly determined to be due to infection by Vibrio shiloi. From 1994 to 2002, bacterial bleaching of O. patagonica occurred every summer in the eastern Mediterranean. Surprisingly, however, after 2003, O. patagonica in the eastern Mediterranean has been resistant to V. shiloi infection, although other diseases still cause bleaching. The surprise stems from the knowledge that corals are long lived, with lifespans on the order of decades, [55] and do not have adaptive immune systems. [ citation requise ] Their innate immune systems do not produce antibodies, and they should seemingly not be able to respond to new challenges except over evolutionary time scales. [ citation requise ]

The puzzle of how corals managed to acquire resistance to a specific pathogen led to a 2007 proposal, that a dynamic relationship exists between corals and their symbiotic microbial communities. It is thought that by altering its composition, the holobiont can adapt to changing environmental conditions far more rapidly than by genetic mutation and selection alone. Extrapolating this hypothesis to other organisms, including higher plants and animals, led to the proposal of the hologenome theory of evolution. [54]

As of 2007 [update] the hologenome theory was still being debated. [56] A major criticism has been the claim that V. shiloi was misidentified as the causative agent of coral bleaching, and that its presence in bleached O. patagonica was simply that of opportunistic colonization. [57] If this is true, the basic observation leading to the theory would be invalid. The theory has gained significant popularity as a way of explaining rapid changes in adaptation that cannot otherwise be explained by traditional mechanisms of natural selection. Within the hologenome theory, the holobiont has not only become the principal unit of natural selection but also the result of other step of integration that it is also observed at the cell (symbiogenesis, endosymbiosis) and genomic levels. [8]

Targeted amplicon sequencing Edit

Targeted amplicon sequencing relies on having some expectations about the composition of the community that is being studied. In target amplicon sequencing a phylogenetically informative marker is targeted for sequencing. Such a marker should be present in ideally all the expected organisms. It should also evolve in such a way that it is conserved enough that primers can target genes from a wide range of organisms while evolving quickly enough to allow for finer resolution at the taxonomic level. A common marker for human microbiome studies is the gene for bacterial 16S rRNA (c'est à dire. "16S rDNA", the sequence of DNA which encodes the ribosomal RNA molecule). [58] Since ribosomes are present in all living organisms, using 16S rDNA allows for DNA to be amplified from many more organisms than if another marker were used. The 16S rDNA gene contains both slowly evolving regions and fast evolving regions the former can be used to design broad primers while the latter allow for finer taxonomic distinction. However, species-level resolution is not typically possible using the 16S rDNA. Primer selection is an important step, as anything that cannot be targeted by the primer will not be amplified and thus will not be detected. Different sets of primers have been shown to amplify different taxonomic groups due to sequence variation.

Targeted studies of eukaryotic and viral communities are limited [59] and subject to the challenge of excluding host DNA from amplification and the reduced eukaryotic and viral biomass in the human microbiome. [60]

After the amplicons are sequenced, molecular phylogenetic methods are used to infer the composition of the microbial community. This is done by clustering the amplicons into operational taxonomic units (OTUs) and inferring phylogenetic relationships between the sequences. Due to the complexity of the data, distance measures such as UniFrac distances are usually defined between microbiome samples, and downstream multivariate methods are carried out on the distance matrices. An important point is that the scale of data is extensive, and further approaches must be taken to identify patterns from the available information. Tools used to analyze the data include VAMPS, [61] QIIME [62] and mothur. [63]

Metagenomic sequencing Edit

Metagenomics is also used extensively for studying microbial communities. [64] [65] [66] In metagenomic sequencing, DNA is recovered directly from environmental samples in an untargeted manner with the goal of obtaining an unbiased sample from all genes of all members of the community. Recent studies use shotgun Sanger sequencing or pyrosequencing to recover the sequences of the reads. [67] The reads can then be assembled into contigs. To determine the phylogenetic identity of a sequence, it is compared to available full genome sequences using methods such as BLAST. One drawback of this approach is that many members of microbial communities do not have a representative sequenced genome, but this applies to 16S rRNA amplicon sequencing as well and is a fundamental problem. [58] With shotgun sequencing, it can be resolved by having a high coverage (50-100x) of the unknown genome, effectively doing a de novo genome assembly. As soon as there is a complete genome of an unknown organism available it can be compared phylogenetically and the organism put into its place in the tree of life, by creating new taxa. An emerging approach is to combine shotgun sequencing with proximity-ligation data (Hi-C) to assemble complete microbial genomes without culturing. [68]

Despite the fact that metagenomics is limited by the availability of reference sequences, one significant advantage of metagenomics over targeted amplicon sequencing is that metagenomics data can elucidate the functional potential of the community DNA. [69] [70] Targeted gene surveys cannot do this as they only reveal the phylogenetic relationship between the same gene from different organisms. Functional analysis is done by comparing the recovered sequences to databases of metagenomic annotations such as KEGG. The metabolic pathways that these genes are involved in can then be predicted with tools such as MG-RAST, [71] CAMERA [72] and IMG/M. [73]

RNA and protein-based approaches Edit

Metatranscriptomics studies have been performed to study the gene expression of microbial communities through methods such as the pyrosequencing of extracted RNA. [74] Structure based studies have also identified non-coding RNAs (ncRNAs) such as ribozymes from microbiota. [75] Metaproteomics is an approach that studies the proteins expressed by microbiota, giving insight into its functional potential. [76]

The Human Microbiome Project launched in 2008 was a United States National Institutes of Health initiative to identify and characterize microorganisms found in both healthy and diseased humans. [77] The five-year project, best characterized as a feasibility study with a budget of $115 million, tested how changes in the human microbiome are associated with human health or disease. [77]

The Earth Microbiome Project (EMP) is an initiative to collect natural samples and analyze the microbial community around the globe. Microbes are highly abundant, diverse and have an important role in the ecological system. Yet as of 2010 [update] , it was estimated that the total global environmental DNA sequencing effort had produced less than 1 percent of the total DNA found in a liter of seawater or a gram of soil, [78] and the specific interactions between microbes are largely unknown. The EMP aims to process as many as 200,000 samples in different biomes, generating a complete database of microbes on earth to characterize environments and ecosystems by microbial composition and interaction. Using these data, new ecological and evolutionary theories can be proposed and tested. [79]

The gut microbiota is very important for the host health because it play role in degradation of non- digestible polysaccharides (fermentation of resistant starch, oligosaccharides, inulin) strengthening gut integrity or shaping the intestinal epithelium, harvesting energy, protecting against pathogens, and regulating host immunity. [80] [81]

Several studies showed that the gut bacterial composition in diabetic patients became altered with increased levels of Lactobacillus gasseri, Streptocoque mutant and Clostridiales members, with decrease in butyrate-producing bacteria such as Roseburia intestinalis et Faecalibacterium prausnitzii [82] [83] . This alteration is due to many factors such as antibiotic abuse, diet, and age.

The decrease in butyrate production is associated with defect in intestinal permeability, this defect lead to the case of endotoxemia, which is the increased level of circulating Lipopolysaccharides from gram negative bacterial cells wall. It is found that endotoxemia has association with development of insulin resistance. [82]

In addition that butyrate production affects serotonin level. [82] Elevated serotonin level has contribution in obesity, which is known to be a risk factor for development of diabetes.

Microbiota can be transplanted in the human body for medical purposes. [84]

The colonization of the human gut microbiota may start already before birth. [85] There are multiple factors in the environment that affects the development of the microbiota with birthmode being one of the most impactful. [86]

Another factor that has been observed to cause huge changes in the gut microbiota, particularly in children, is the use of antibiotics, associating with health issues such as higher BMI, [87] [88] and further an increased risk towards metabolic diseases such as obesity. [89] In infants it was observed that amoxicillin and macrolides cause significant shifts in the gut microbiota characterized by a change in the bacterial classes Bifidobacteria, Enterobacteria and Clostridia. [90] A single course of antibiotics in adults causes changes in both the bacterial and fungal microbiota, with even more persistent changes in the fungal communities. [91] The bacteria and fungi live together in the gut and there is most likely a competition for nutrient sources present. [92] [93] Seelbinder et al. found that commensal bacteria in the gut regulate the growth and pathogenicity of Candida albicans by their metabolites, particularly by propionate, acetic acid and 5-dodecenoate. [94] Candidose has previously been associated with IBD [95] and further it has been observed to be increased in non-responders to a biological drug, infliximab, given to IBD patients suffering from severe IBD. [96] Propionate and acetic acid are both short-chain fatty acids (SCFAs) that have been observed to be beneficial to gut microbiota health. [97] [98] [99] When antibiotics affect the growth of bacteria in the gut, there might be an overgrowth of certain fungi, which might be pathogenic when not regulated. [100]

Microbial DNA inhabiting a person's human body can uniquely identify the person. A person's privacy may be compromised if the person anonymously donated microbe DNA data. Their medical condition and identity could be revealed. [101] [102] [103]


Turning bacteria against themselves

IMAGE: The Streptococcus pyogenes toxin SPN (shown in purple) is inhibited by the antitoxin IFS (left, shown in orange). IFS blocks the active site of SPN and prevents NAD+ from binding. Voir plus

Credit: Image provided by Craig L. Smith

Bacteria often attack with toxins designed to hijack or even kill host cells. To avoid self-destruction, bacteria have ways of protecting themselves from their own toxins.

Now, researchers at Washington University School of Medicine in St. Louis have described one of these protective mechanisms, potentially paving the way for new classes of antibiotics that cause the bacteria's toxins to turn on themselves.

Scientists determined the structures of a toxin and its antitoxin in Streptococcus pyogenes , common bacteria that cause infections ranging from strep throat to life-threatening conditions like rheumatic fever. In Strep, the antitoxin is bound to the toxin in a way that keeps the toxin inactive.

"Strep has to express this antidote, so to speak," says Craig L. Smith, PhD, a postdoctoral researcher and first author on the paper that appears Feb. 9 in the journal Structure . "If there were no antitoxin, the bacteria would kill itself."

With that in mind, Smith and colleagues may have found a way to make the antitoxin inactive. They discovered that when the antitoxin is not bound, it changes shape.

"That's the Achilles' heel that we would like to exploit," says Thomas E. Ellenberger, DVM, PhD, the Raymond H. Wittcoff Professor and head of the Department of Biochemistry and Molecular Biophysics at the School of Medicine. "A drug that would stabilize the inactive form of the immunity factor would liberate the toxin in the bacteria."

In this case, the toxin is known as Streptococcus pyogenes beta-NAD+ glycohydrolase, or SPN. Last year, coauthor Michael G. Caparon, PhD, professor of molecular microbiology, and his colleagues in the Center for Women's Infectious Disease Research showed that SPN's toxicity stems from its ability to use up all of a cell's stores of NAD+, an essential component in powering cell metabolism. The antitoxin, known as the immunity factor for SPN, or IFS, works by blocking SPN's access to NAD+, protecting the bacteria's energy supply system.

With the structures determined, researchers can now test possible drugs that might force the antitoxin to remain unbound to the toxin, thereby leaving the toxin free to attack its own bacteria.

"The most important aspect of the structure is that it tells us a lot about how the antitoxin blocks the toxin activity and spares the bacterium," says Ellenberger.

Understanding how these bacteria cause disease in humans is important in drug design.

"There is a war going on between bacteria and their hosts," Smith says. "Bacteria secrete toxins and we have ways to counterattack through our immune systems and with the help of antibiotics. But, as bacteria develop antibiotic resistance, we need to develop new generations of antibiotics."

Many types of bacteria have evolved this toxin-antitoxin method of attacking host cells while protecting themselves. But today, there are no classes of drugs that take aim at the protective action of the bacteria's antitoxin molecules.

"Obviously they could evolve resistance once you target the antitoxin," Ellenberger says. "But this would be a new target. Understanding structures is a keystone of drug design."

Smith CL, Ghosh J, Elam JS, Pinkner JS, Hultgren SJ, Caparon MG, Ellenberger T. Structural basis of Streptococcus pyogenes immunity to its NAD+ glycohydrolase toxin. Structure . Feb. 9, 2011.

This work was supported by grants from the National Institutes of Health and the UNCF/Merck Science Initiative Postdoctoral Fellowship awarded to Craig L. Smith.

Washington University School of Medicine's 2,100 employed and volunteer faculty physicians also are the medical staff of Barnes-Jewish and St. Louis Children's hospitals. The School of Medicine is one of the leading medical research, teaching and patient care institutions in the nation, currently ranked fourth in the nation by U.S. News & World Report. Through its affiliations with Barnes-Jewish and St. Louis Children's hospitals, the School of Medicine is linked to BJC HealthCare.

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Rooting the bacterial tree of life

Scientists now better understand early bacterial evolution, thanks to new research featuring University of Queensland researchers.

Bacteria comprise a very diverse domain of single-celled organisms that are thought to have evolved from a common ancestor that lived more than three billion years ago.

Professor Phil Hugenholtz, from the Australian Centre for Ecogenomics in UQ's School of Chemistry and Molecular Biosciences, said the root of the bacterial tree, which would reveal the nature of the last common ancestor, is not agreed upon.

"There's great debate about the root of this bacterial tree of life and indeed whether bacterial evolution should even be described as a tree has been contested," Professor Hugenholtz said.

"This is in large part because genes are not just shared 'vertically' from parents to offspring, but also 'horizontally' between distant family members.

"We've all inherited certain traits from our parents, but imagine going to a family BBQ and suddenly inheriting your third cousin's red hair.

"As baffling as it sounds, that's exactly what happens in the bacterial world, as bacteria can frequently transfer and reconfigure genes horizontally across populations quite easily.

"This might be useful for bacteria but makes it challenging to reconstruct bacterial evolution."

For the bacterial world, many researchers have suggested throwing the 'tree of life' concept out the window and replacing it with a network that reflects horizontal movement of genes.

"However, by integrating vertical and horizontal gene transmission, we found that bacterial genes travel vertically most of the time - on average two-thirds of the time - suggesting that a tree is still an apt representation of bacterial evolution," Professor Hugenholtz said.

"The analysis also revealed that the root of the tree lies between two supergroups of bacteria, those with one cell membrane and those with two.

"Their common ancestor was already complex, predicted to have two membranes, the ability to swim, sense its environment, and defend itself against viruses."

The University of Bristol's Dr Tom Williams said this fact led to another big question.

"Given the common ancestor of all living bacteria already had two membranes, we now need to understand how did single-membrane cells evolve from double-membraned cells, and whether this occurred once or on multiple occasions," Dr Williams said.

"We believe that our approach to integrating vertical and horizontal gene transmission will answer these and many other open questions in evolutionary biology."

The research was a collaboration between UQ, the University of Bristol in the UK, Eötvös Loránd University in Hungary, and NIOZ in the Netherlands, and has been published in Science (DOI: 10.1126/science.abe5011).

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Dover and beyond

Question : What was at stake in the Dover trial?

Miller: One of the things that the Dover trial brought to a head was the idea that the intelligent-design movement represented a genuine alternative, something very different from the creation-science movement that took hold in several states in the U.S. in the early 1980s. The advocates of intelligent design disavow any connection with creationism or creation science. They say their ideas are purely scientific and have nothing to do with religion.

In the trial, documents regarding the formation of the intelligent-design movement, the construction of the intelligent-design textbook that was recommended for use in the Dover schools, came to light. And it was very clear that intelligent design represented nothing more than an intentional effort to relabel creation science by taking all the same old arguments and putting a new label on them.

The second thing that was very much at stake in the trial was religious freedom. Religious freedom in this country is based on two great and essential principles. One is that the government shall not interfere with the free exercise of religion, and the other one is that the government shall not endorse or establish a religion. What the Dover board was doing very clearly, by their own statements, was trying to establish an official religion for the school district of Dover and trying to get science teachers to advance the Dover board's view of that religion.

Now, the members of the Dover board are perfectly entitled to hold all these religious views and to hold these views about intelligent design and evolution and everything else. But what they're not entitled to do, under our Constitution, is to use the force and power of the state to foist those ideas on young people. That would have been a very dangerous precedent if they'd been able to get away with it.

Question : Was it wrong, in your view, for the Dover school board to try to get their ideas into the science classroom?

Miller: No idea should be inserted into the science classroom by force of law unless that idea can first win a place for itself in the scientific community. The real problem that happened in Dover was not intelligent design being a bad idea or anything else. The real problem was the use of a government agency to pick up an idea that science itself had rejected and to say, "We're going to put this idea in the science classroom regardless of its inability to win any following within science itself."

They did this for religious reasons. That's why they lost the case. But the general idea of not allowing science to work was at the heart of what was wrong about Dover.

"Not a single scientific society has made a statement or claim in support of intelligent design. In fact, quite the contrary."

Question : So is this over? Are we beyond intelligent design yet?

Miller: I'd love to think that this battle is over. Ce n'est pas. The war is going to go on. Intelligent design as anything resembling a scientific theory has been shown fundamentally to be intellectually bankrupt, and it's also been shown to be an idea that is religious in character, simply cloaked in the language of science. I think that came out of the trial at Dover. The evidence that was presented, and even the testimony from the other side, showed that beyond any shadow of a doubt.

But the people behind the intelligent-design movement will do what they've always done. They will move on, they'll change terms, they'll come up with a new label, and they'll continue to fight this fight against evolution and against scientific rationalism.

One of the legacies of the Dover trial is that the term design intelligent has almost become a kind of intellectual poison, and its advocates are running around saying, "No, no, no, no. We don't want to teach intelligent design in the schools." They'd better not, especially after the Dover trial. Instead, they say, "What we want to do is we want to teach critical analysis of evolution, or we want to teach the controversy surrounding evolution."

Ironically, when you look at what they actually would like to teach, it is simply the collection of anti-evolution arguments that were always part and parcel of intelligent design in the first place. So it is simply relabeling the intelligent design critique of evolution. And this idea of teaching the controversy is built upon a false premise, that there is a controversy within the scientific community on the issue of evolution. Well, there isn't. Evolution is, in fact, mainstream science.

Question : Critics of Darwinism often say that evolution is a theory in crisis. How do you see it?

Miller: Evolutionary theory has never been more active in terms of an area of inquiry and an area of scholarship than it is right now. Evolution as an idea has never been more useful than it is right now, because we use evolution everyday to interpret genomes, to develop drugs, to prolong the useful lifetime of antibiotics, to grow genetically modified crops—all these things have components of evolution in them.

If you look at the major scientific societies in the United States and around the world, not a single scientific society has made a statement or claim in support of intelligent design, in support of scientific creationism. In fact, quite the contrary. Every major scientific organization that I'm aware of that has taken a position on this issue has taken their position four-square in favor of evolution. So the notion that evolution is in some sort of crisis is just not true.

The intelligent-design movement, says Ken Miller, "is basically designed to bring the supernatural into science. And that kind of introduction would destroy both science and religion."

Interview conducted on April 19, 2007 by Joe McMaster, producer of "Judgment Day: Intelligent Design on Trial," and edited by Lauren Aguirre and Peter Tyson, executive editor and editor in chief of NOVA online