Наука о микробах: О микробах внутри нас и не только о них

в

Индия

US

Соединенные Штаты

BD

. исследовательский проект или работа над вашей следующей рукописью, авторские ресурсы Elsevier всегда готовы помочь.

1. Исследования и подготовка

   • Академия исследователей

2. Writing

   • Mendeley
   • Guide for authors
   • Language editing services
   • Translation services

3. Submission & Publication

   • Check submission status
   • Track accepted paper

View all resources and services

Ваши исследовательские данные

Сделайте свои исследовательские данные доступными, доступными, обнаруживаемыми и пригодными для использования.

• Откройте для себя варианты обмена данными исследований
• Опубликуйте результаты своего исследования в журнале Research Elements

Связанные журналы

Подходит ли этот сайт для ваших исследований?

JournalFinder использует технологию интеллектуального поиска и специализированные словари, чтобы сопоставить вашу рукопись с журналами Elsevier.

Просто введите название и реферат и выберите соответствующую область исследования для достижения наилучших результатов.

Заполните подробности

Микробиология: экология, разнообразие и характеристика микробного мира — Научные потребности для микробной криминалистики

Можно подумать, что век великих открытий в биологии
прошлое — что люди были повсюду и видели все на Земле.
Но на самом деле биология до сих пор может похвастаться огромными неизвестными, и многие из них уже не известны.
исследуются в некогда невидимом мире микробов. В последние 20
лет технологический прогресс сделал возможным изучение микробного
мир, который оказался гораздо более обширным, важным и разнообразным, чем
ранее представлялось. Анализы микробных сообществ в почве, в
океана и даже в человеческом теле показали, что предыдущие методы обнаруживали
лишь крошечный процент различных микробов в этих средах. Это
кажется, что каждое технологическое достижение и каждое новое окружение
обнаруживают еще большее разнообразие микробного мира. Есть ли предел? Как
могут ли характер и степень микробного разнообразия быть удовлетворительными?
характеризуется?

Источник: ААМ, 2011a.

Хотя в мире живых существ преобладают микробы,
известно о подавляющем большинстве из них. По данным Американской академии
Микробиология: «Бактерий и архей в десять миллионов раз больше.
клеток на нашей маленькой планете, чем звезд в видимой Вселенной, и они
может содержать столько же углерода, сколько все растения и животные вместе взятые».
(ААМ, 2011b). Многое из того, что есть
известное основано на очень немногих микроорганизмах, которые можно культивировать в
лаборатории. До изобретения секвенирования нуклеиновых кислот
фенотипы культивируемых микроорганизмов могут быть легко изучены с помощью инструментов
которые были доступны в течение предыдущих 150 лет — рост на выборочном
и дифференциальные среды, окрашивание по Граму, серотипирование эталонными антисыворотками и
методы клинической микробиологии, а они неадекватны для этой цели.
идентификации и атрибуции источника материала, используемого в биологическом
атаки, потому что они не могут произвести достаточно мелкие детали на
природа организма (Клементс, выступление на семинаре в Загребе, 2013 г.).

Как отмечалось в главе 1, большая часть
работа микробной криминалистики сегодня основана на изучении биоразнообразия,
филогенетика, ¹
филогеография, ² и
геномика. Возможность секвенировать геномы микробов позволила
огромное количество новых знаний о некоторых избранных бактериях и вирусах.
Однако даже самая основная информация остается неизвестной для большинства микроорганизмов.
и «знания об эволюции и экологии микробных сообществ отстают от
далеко позади клеточной микробиологии» (NRC, 2007:33). До недавнего времени было мало систематических усилий
собирать и описывать микробы, обитающие в почве, морской воде, пресноводных озерах
и ручьях, растениях и даже в кишках и на телах людей и других
животные. Новые методы «метагеномики» обходят
некультивируемость большинства микробов, позволяя изучать микробные
гены и последовательности целых сообществ непосредственно из образцов окружающей среды.
Однако использование метагеномных методов все еще остается областью активных исследований.
разработка (презентация Darling, 2013 г.). Между тем познание природы
микробные сообщества, обитающие на большей части мира, немногочисленны и значительно
неполный. Хотя биология небольшой фракции бактерий и вирусов
патогенны для человека, домашнего скота и животных-компаньонов, а также сельскохозяйственных культур
или лесные растения несколько лучше известны и изучены, остается еще много
узнать об их эволюции, сколько существует штаммов видов патогенов
в природе, каково их распространение по всему миру и как это
распространение влияет на экологические условия и зависит от них.

БИОНАБЛЮДЕНИЕ

Бионаблюдение – это «процесс активного сбора данных с
соответствующий анализ и интерпретация биосферных данных, которые могут относиться
к активности болезни и угрозам для здоровья человека или животных — будь то
инфекционные, токсические, метаболические или иные, и независимо от преднамеренного или
естественного происхождения — для раннего предупреждения об угрозах здоровью,
раннее обнаружение событий, связанных со здоровьем, и общая ситуационная осведомленность о
активности болезни» (Директива Президента Национальной Безопасности, HSPD-21,
2007). ³ В
в дополнение к научным преимуществам, которые будут получены в результате улучшенного
понимание микробного мира, применение этих знаний
благодаря улучшенным международным возможностям бионадзора за более ранними
выявление и отчетность о новых и повторно возникающих инфекционных заболеваниях
подчеркивает фундаментальные связи между микробиологической судебной экспертизой и
здравоохранение. Из опыта лечения тяжелого острого респираторного синдрома
(SARS) в 2002 и 2003 годах продемонстрировали глобальный охват торговли и путешествий,
особенно по воздуху, означает, что болезни с пандемическим потенциалом теперь могут достигать
по всему миру в течение нескольких часов или дней, а не недель или месяцев
предыдущие годы. ⁴ Последующий
вспышки, связанные с различными штаммами птичьего гриппа (h2N1, H5N1 и
H7N9), а также ближневосточного респираторного синдрома (MERS), который возник в
2012 г. подчеркнул важность улучшения национального и международного
наблюдения за болезнями. Многие из этих болезней возникли у животных,
подчеркивая необходимость более глубокого понимания зоонозов как угрозы
Health:

ВОЗ участвует в постоянно растущем числе межсекторальных
мероприятия по устранению угроз здоровью в экосистеме человек-животные
интерфейс. Эти угрозы включают существующие и возникающие зоонозы, а также
как устойчивость к противомикробным препаратам, зоонозы пищевого происхождения и другие угрозы для
безопасности пищевых продуктов. ⁵

Крупный прорыв произошел в 2005 г., когда Всемирная ассамблея здравоохранения мира
Организация здравоохранения (ВОЗ) приняла поправки к Международному
Правил (ММСП), изменяющих основу для сообщения о вспышках болезней с
перечень конкретных заболеваний к набору характеристик, составляющих
«Чрезвычайная ситуация в области общественного здравоохранения, имеющая международное значение». ММСП
отражают более десяти лет международных усилий по достижению глобального
консенсус в отношении необходимости улучшения возможностей эпиднадзора за болезнями и
принять международные требования, чтобы сделать это своевременно. Многое осталось
сделать, однако; по состоянию на июль 2012 г., крайний срок подачи отчетности
прогресса, менее 20 процентов стран-членов ВОЗ сообщили, что они
смогли выполнить ММСП, и большинство запросило двухлетний
расширение. ⁶
предоставляется международная помощь, позволяющая странам достичь
основные компетенции в области эпиднадзора и реагирования, необходимые для выполнения их ММСП
требованиям также служит развитию потенциала для микробных
судебная экспертиза.

Кроме того, национальные и неправительственные усилия уже продемонстрировали
значение расширенных возможностей отчетности. Например, Глобальный
Сеть сбора данных об общественном здравоохранении (GPHIN), которая изначально была разработана
Министерством здравоохранения Канады в сотрудничестве с ВОЗ постоянно ищет
средства массовой информации для получения информации о вспышках инфекционных заболеваний. Про-Мед
почту, которая помимо мониторинга СМИ и других источников опирается на
отчеты из своей сети из 60 000 подписчиков в 185 странах, теперь
проект Международного общества инфекционистов, который был начат
в середине 1990-х годов двумя американскими неправительственными организациями. ⁷ По данным ВОЗ,
«Более 60% первоначальных сообщений о вспышках исходят от неофициальных
неофициальные источники, в том числе источники, отличные от электронных СМИ, которые
требуют проверки». ⁸

Основным механизмом эпиднадзора ВОЗ является Global Alert and
Сеть реагирования (GOARN), «техническое сотрудничество существующих
учреждения и сети, которые объединяют человеческие и технические ресурсы для
быстрое выявление, подтверждение и реагирование на вспышки
международное значение». ⁹
и Лабораторные сети опасных патогенов, еще одно мероприятие ВОЗ по поддержке
развитие повышенной готовности и пропускной способности в общественных местах с высоким уровнем безопасности
медицинские и ветеринарные лаборатории для обнаружения и реагирования, связанных с
болезни как человека, так и животных. Эта сеть поддерживается рядом
международные рабочие группы, некоторые из которых сосредоточены на разработке общих
процедуры и протоколы, которые могут иметь отношение к микробной судебной экспертизе, т. к.
Что ж. ¹⁰

Как указано выше и описано в случаях в этой главе и в других местах
в отчете болезни животных, растений и пищевых продуктов также могут представлять угрозу
общественному здравоохранению и проблемам микробной судебной экспертизы. Это привело к
расширение сотрудничества между ВОЗ, Всемирной организацией охраны здоровья животных
(МЭБ) и Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО). Например, в
В 2006 году три организации запустили Глобальную систему раннего предупреждения для
Основные болезни животных, включая зоонозы (GLEWS), целью которого является
добавленная стоимость

объединение и координация механизмов оповещения и информирования о заболеваниях
МЭБ, ФАО и ВОЗ для международного сообщества и заинтересованных сторон
помощь в прогнозировании, предотвращении и борьбе с угрозами болезней животных,
включая зоонозы, посредством обмена информацией, эпидемиологических
анализ и совместная оценка рисков. ¹¹

В США Белый дом опубликовал Национальную стратегию общественного
Здоровье и медицинская готовность в ответ на вопросы внутренней безопасности
Президентская директива-21 (HSPD-21) в 2007 г. HSPD-21 призвала Соединенные
Штаты до

установить возможности бионадзора с подключением к международным
системы эпиднадзора за болезнями, которые могут обеспечить «раннее
предупреждение» о биологической атаке или природной вспышке, и может
предоставлять текущую информацию «почти в режиме реального времени» о
вспышка по мере ее развития. Эта система должна быть разработана таким образом, чтобы обеспечивать
национальная «общая операционная картина» и лучшая ситуационная
осведомленность для государственных, местных и федеральных чиновников, а также для общественности
и поставщиков медицинских услуг частного сектора.

В 2008 г. перед Центрами по контролю и профилактике заболеваний (CDC) была поставлена ​​задача
возглавил создание Национального консультативного подкомитета по бионадзору
(НБАС). NBAS предоставляет рекомендации Консультативному комитету Директора по мере
а также «руководство и руководство» для реализации
Национальная стратегия бионадзора. Он выпустил свой первый отчет в 2009 г. (Национальный консультативный орган по бионадзору).
Подкомитет, 2009 г.), призывая к стратегическим целям и инвестициям
в деятельности и технологиях бионадзора, найме и удержании обученных
персонал, а также электронные медицинские карты и базы данных. Во втором отчете
в 2011 году NBAS представила дополнительные рекомендации по управлению, информации
обмен, рабочая сила, исследования и разработки (Национальный консультативный подкомитет по бионадзору,
2011). В 2012 году Белый дом опубликовал Национальную стратегию
Бионаблюдение.

Совсем недавно Глобальная повестка дня в области безопасности здравоохранения, объявленная в феврале 2014 г.,
это новое партнерство, созданное США между ВОЗ, МЭБ и ФАО.
вместе с более чем 25 странами до

«…ускорить прогресс в направлении безопасного и защищенного мира от
угрозы инфекционных заболеваний и способствовать глобальной безопасности в области здравоохранения в качестве
приоритет международной безопасности, на

• Предотвратить и уменьшить вероятность
  вспышки – естественные, случайные или преднамеренные;

• Раннее обнаружение угроз для спасения жизней;

• Реагировать быстро и эффективно, используя многосекторальные,
  международная координация и связь». ¹²

Опять же, успех в достижении ряда целей Повестки дня также
означают улучшенные международные возможности для микробной криминалистики.

Американское сообщество специалистов по микробиологии уже активизировало свои усилия по
сотрудничать с сектором общественного здравоохранения, в частности, для улучшения и увеличения
использование информации бионадзора. Такая информация поможет
следователям-криминалистам, чтобы лучше понять контекст
активную вспышку и лучше интерпретировать результаты микробной судебной экспертизы.

В оставшейся части этой главы исследуются несколько фактических случаев микробной судебной экспертизы, чтобы
иллюстрируют методы, которые были разработаны за последние 10-12 лет.
лет, некоторые связи между общественным здоровьем и микробной
судебной экспертизы, и неудовлетворенные потребности, которые остаются в области понимания
микробная экология, разнообразие и характеристика штаммов и др.
генетические варианты. Другие аспекты общественного здравоохранения и микробной судебной экспертизы,
включая неудовлетворенные потребности, связанные с технологиями и процессами,
последующие главы.

ДЕЛО AMERITHRAX

Хотя до 2001 г. было предпринято несколько попыток использовать патогены в качестве оружия,
наиболее полное крупное дело, связанное с использованием патогена в качестве
биологическое оружие произошло с буквами сибирской язвы (или
«Америтракс»). Осенью 2001 г., менее чем через месяц после
11 сентября 2001 г. нападения на Всемирный торговый центр и Пентагон США,
письма, содержащие споры возбудителя сибирской язвы
( Bacillus anthracis или B. anthracis )
были отправлены почтой США. С 4 октября по 20 ноября 2001 г. 22
человек заболели сибирской язвой, 5 человек погибли трагически (Jernigan et al., 2002). В
Кроме того, произошло сильное загрязнение окружающей среды, вызванное
почтовые отправления сибирской язвы в зданиях Почтовой службы США, офисных зданиях Сената,
и во многих других местах, которые перерабатывали или получали зараженные
буквы. ФБР возглавило усилия по охарактеризации материала, содержащегося в
письма и указать лицо или лиц, ответственных за
рассылки. Это расследование включало обширное научное исследование, охватывающее
почти 9лет (NRC, 2011).
За 9 лет ФБР посвятило делу 600 000 часов следователя,
в нем участвовали 17 специальных агентов, а также 10 почтовых инспекторов США.
В ходе следствия опрошено 10 000 свидетелей, проведено 80 обысков.
проведено, проанализировано 4 млн мегабайт компьютерной памяти и 5750
были вручены повестки большому жюри. Двадцать девять государственных, университетских и
коммерческие лаборатории помогали с научным анализом, который был центральным
аспект расследования (U.S.
Министерство юстиции, 2010 г.). Отметим, что на момент
письма о сибирской язве, инструменты и технологии, которые легко
имеющиеся средства были недостаточными, а наука о микробной криминалистике находилась в зачаточном состоянии.
в зачаточном состоянии и ограничивается несколькими новаторскими лабораториями (замечает Клементс,
2013). Исследование Ameritrax ускорило развитие микробной
судебной экспертизы, что привело к замечательному развитию и применению новых
методы и подходы к использованию лабораторных инструментов для точного определения генетического
идентичность микробного агента (Tucker
и Кобленц, 2009 г.). Микробиологическая экспертиза стала неотъемлемой частью
научных исследований, которые сочетались с физико-химическими
анализы и другие доказательства, чтобы сузить поиск источника
B. anthracis используется при атаках.

Здесь важно отметить, что B. anthracis является
чрезвычайно устойчив генетически. Одной из причин такой стабильности является то, что
Жизненный цикл организма включает в себя длительные периоды покоя в виде
спор, что делает геном в высшей степени гомогенным (Pilo and Frey, 2011). Как это ни парадоксально,
реконструкция эволюционной истории Б. сибирской язвы
была сложной задачей из-за той же стабильности, которая позволила
исследователям для отслеживания его использования в качестве биологического оружия (Van Ert et al. , 2007). Очень рано в
исследовать споры сибирской язвы в письмах и окружающей среде и
клинические изоляты были идентифицированы как «штамм Эймса».
Пол Кейм и члены его команды в Университете Северной Аризоны (НАУ). В
семинаре в Загребе, Кейм резюмировал, что позволило им достичь этого
в эпоху, когда полногеномное секвенирование (WGS) не стало
обыденность. Исследования в середине 1990-х, чтобы отличить B.
anthracis были ограничены работой с небольшими
участков геномной ДНК. В то время геномы очень немногих бактерий имели
пункт, был полностью секвенирован. Кейм и его коллеги сосредоточились на
гипервариабельные области в генетическом материале B.
anthracis , называемые областями тандемных повторов с переменным числом (VNTR).
Его команде удалось идентифицировать восемь локусов у B. anthracis .
которые имели несколько аллелей (т. е. разные версии одного и того же генетического
маркер). Они разработали систему типизации, названную многолокусным анализом VNTR.
или МЛВА. На самом деле B. anthracis был одним из первых
бактерии, на которых было выполнено это субтипирование. В 2001 году в НАУ была
база данных около 400 различных штаммов B. anthracis и
смог дифференцировать эти изоляты примерно на 90 различных
генотипы. И лаборатория Кейма в НАУ, и лаборатория CDC независимо друг от друга.
дал тот же результат: оказалось, что генотип MLVA8 соответствует только
с генотипом штамма Эймса, который Кейм и его коллеги идентифицировали
ранее (Кейм и др.,
2000).

Штамм Эймса был известным лабораторным штаммом, используемым вооруженными силами США и
другие группы разработчиков вакцин. Первоначально штамм был выделен из
мертвая корова в Техасе в 1981 году и была отправлена ​​Техасским университетом A&M в
Медицинский научно-исследовательский институт инфекционных заболеваний армии США (USAMRIID)
в Форт-Детрик во Фредерике, штат Мэриленд (NRC, 2011). Со временем он был передан другим
лабораториях США, Канады, Швеции и Великобритании.
Таким образом, хотя идентификация штамма Эймса сузила круг
возможности, что делает источником, вероятно, лабораторию, которая имела доступ
к штамму MLVA было недостаточно для однозначной идентификации его источника.
Следовательно, доказательства должны быть более тщательно изучены для
дополнительные уникальные и отличительные генетические и другие особенности, которые могли бы
можно сравнить с образцами, полученными из лабораторий, где хранится штамм Эймса.
сузить поиск источника и преступника(ов). Ученые из
Министерство обороны выявило несколько вариантов морфологии колоний в
образцы из букв (). При финансовой поддержке Национального института здравоохранения,
Национальный научный фонд и другие государственные учреждения, ученые ФБР
работал с Институтом геномных исследований (TIGR) в Роквилле,
Мэриленд, чтобы выявить генетическую основу измененного внешнего вида
бактериальные колонии (Read et al.,
2002). Некоторые из них были определены как вставки или
делеции, в то время как другие были связаны с однонуклеотидным полиморфизмом
(SNP) (NRC, 2011). ФБР
затем исследователи заключили контракт с четырьмя лабораториями на разработку
специальные молекулярно-генетические анализы, чтобы попытаться обнаружить некоторые из этих вариантов в
доказательства порошка сибирской язвы. Эти анализы использовались при обследовании
образцы, собранные ФБР, чтобы сформировать хранилище известных Эймсов
пробы штаммов.

РИСУНОК 2-1

Варианты репрезентативных колоний каждого из морфотипов
B. anthracis Ames. ИСТОЧНИК: Rasko et al.
(2011).

К сожалению, тщательность отбора и обработки проб не
соответствуют строгости мощных и проверенных анализов. Проверка
Поток обработки доказательств очень сложен. Достижение высокого уровня доверия
¹³ влекут за собой обработку большого количества пустых проб, что очень дорого в
письма сибирской язвы, это не могло быть выполнено в режиме реального времени и не было
Выполнено. «Ложноположительный» результат, обнаруженный во время
ранняя обработка улик привела к ненужному и дорогостоящему осушению
Мэрилендский пруд. Это свидетельство оказалось несовместимым с Эймсом.
штамм (NRC, 2011). След
ошибки в доказательствах могут привести к дорогостоящим ошибкам. Тем не менее, анализ
образцы репозитория с использованием только что созданных анализов в конечном итоге привели к
ФБР, чтобы обратить внимание на конкретную фляжку в USAMRIID, содержащую
препарат спор, известный как RMR-1029.

Кроме того, аналитические методы физических наук, такие как сканирование
просвечивающая электронная микроскопия, энергодисперсионный рентгеноструктурный анализ, углеродный
датирование с помощью ускорительной масс-спектрометрии и индуктивно-связанная
плазменно-оптическую эмиссию и масс-спектрометрию.
химический и элементный состав споровых порошков (NRC, 2011). Эти виды
тестирование было разработано, чтобы ответить на такие вопросы, как, как материал был выращен
и обработаны, когда мог быть приготовлен препарат сибирской язвы,
были загрязняющие вещества или микроэлементы, которые могли бы дать ключ к разгадке
место производства или использованные материалы, и были ли доказательства
усилия по преднамеренному включению добавок для улучшения распространения сибирской язвы
споры.

В начале расследования элементный анализ обнаружен спор букв
кремния, что привело некоторых к выводу, что этот материал был намеренно
добавляют для облегчения аэрозольного рассеивания спор сибирской язвы. Вывод о том, что
кремний был верным, но интерпретация того, что он был
добавленные для вооружения споры не поддерживались. чувствительный и
сложный анализ, проведенный в Sandia National Laboratories, показал
что кремниевый сигнал был внутри, а не снаружи оболочки спор, что означало
споры не были покрыты, чтобы уменьшить комкование (Майкл и Котула, 2009 г.).). Однако, поскольку
в СМИ просочился ошибочный вывод, так и не удалось
полностью опровергнуть этот ложный вывод. На самом деле спор о
источник содержания кремния в атакующем материале остается активным в
литература (Бхаттачарджи,
2010 г.; Хью-Джонс и др.,
2011).

Два других аналитических пути оказались неэффективными. Один из них был стабильным изотопом.
анализ. Поскольку осадки могут иметь разное соотношение изотопов кислорода,
был проведен анализ, чтобы попытаться определить регион происхождения воды
используется для производства спор. Однако состав осадков не
достаточно предсказуем; кроме того, автоклавирование по сравнению с фильтрацией воды для
стерилизация может изменить соотношение изотопов. Второй путь был основан на
тот факт, что ранние испытания ядерного оружия вызвали изменение
отношения углерода-14 в атмосфере. Это явление предложило потенциальный способ
дату производства спор и показал, что споры в письме
отправленные сенатору Лихи, были произведены между 1998 и 2001. Однако это
диапазон дат не оказался полезной информацией.

Кейм в своей презентации на семинаре в Загребе подчеркнул, что один из
самый мощный инструмент в криминалистике тот, который имеет возможность
различать включение и исключение. Термин
«включение» означает, что может существовать ассоциация или совпадение;
то есть это неспособность исключить некоторые предполагаемые отношения. Там может
быть точным совпадением — как это может происходить в некоторых случаях в человеческой ДНК
тестирование — или образец может быть идентифицирован как член одного и того же
филогенетическая группа. (Термин «член» предпочтительнее, чем
«совпадают», потому что в филогенетическом анализе
«член» может не быть идентичным, но все равно будет частью
один и тот же штамм. ) Выводы о том, являются ли две вещи
одно и то же — включение — как правило, неэффективно для использования для атрибуции в
суда, поскольку клональная природа микроорганизмов и неизвестная история или
другие факторы могут быть использованы для дисконтирования или снижения значимости таких
доказательство. Напротив, исключение может служить очень убедительным доказательством (Budowle et al., 2008). Когда это
делается вывод, что что-то не то — не Эймс
штамм — на основе эволюционных моделей и анализов, эти выводы
очень сильны. Исключительные выводы не попадают в заголовки газет,
но они очень важны, так как сокращают потенциальный список кандидатов
и позволить следователям дополнительно сосредоточить усилия. Проверка гипотез
используемых в молекулярной криминалистике и эпидемиологии, можно резюмировать как
следует:

• «Включение» (неисключение). Может быть точным
  совпадают или, по крайней мере, являются членами одной и той же филогенетической группы,
  произошли от недавнего общего предка. Выводы могут быть
  слабо поддерживается.

• «Исключение» (не включение). В отличие от
  компаратор и очень уж вряд ли будет одинаковым или от
  тот же источник. Выводы могут быть очень сильными.

Три примера силы исключения основаны на анализе
штаммов B. anthracis , полученных из (1)
авария в лаборатории биологического оружия в Свердловске в бывшем Советском Союзе в
1979 г. (Мезельсон и др., 1994 г.),
(2) теракт Аум Синрикё в Токио в 1993 г. (Danzig and Hosford, 2012; Keim et al., 2001) и (3)
объект по производству биологического оружия в Эль-Хакаме, Ирак (в ближайшее время будет проведен анализ
после нападения на письма с сибирской язвой в США в 2001 г.). Ни один из них не был последовательным
со штаммом Эймса в письмах с сибирской язвой. Ссылки на японского террориста
поэтому российская и иракская программы создания биологического оружия были
исключено.

Кейм назвал следующие основные проблемы, связанные с сибирской язвой.
письма расследование:

1.

Первоначальные генетические выводы о том, что штамм письма сибирской язвы
и где он возник, основывались на ограниченных базах данных, которые
следователи признали. Несмотря на это, информация была передана
с политиками, которые действовали так, как будто эти первоначальные
выводы были сильными выводами.

2.

На протяжении всего расследования геномная технология подвергалась быстрой
развития от использования системы MLVA с 8 локусами до 15- и
60-локусные системы MLVA, анализ SNP и, наконец,
WGS, из-за которого проверка системы в режиме реального времени была очень сложной.
сложно.

3.

Трассовые доказательства были проанализированы с использованием частично проверенных систем,
приводит к дорогостоящим следственным ошибкам.

4.

В течение
весь процесс. По сей день важные данные, генерируемые
расследования остаются неопубликованными.

5.

При проведении судебно-медицинской экспертизы применялся метод «кухонной раковины». Там
было сильное давление, чтобы «попробовать мой метод», в том числе
давление с очень высоких политических уровней.

6.

Общественные СМИ добавили путаницы и сбоев. Было слишком
много освещения, например, неправильного толкования
присутствие кремния, но слишком мало, когда ложная интерпретация
был исправлен.

7.

Это была политически заряженная среда. Определенные лица искали
в центре внимания, и их решения повлияли на процесс
наука.

8.

Эксперты в предметной области также были подозреваемыми в совершении преступлений. Те, кто выступает
параллельно проводились анализы.

Очевидно, что некоторые из этих обстоятельств неизбежны в сегодняшнем мире.
Окружающая среда. Тем не менее, Кейм представил два сильных предложения по улучшению
криминалистический подход к микробной атрибуции. Во-первых, следователи
следует определить конкретную гипотезу или гипотезы. Построение гипотез
до получения результатов может уменьшить предвзятость, предотвращая любую тенденцию пытаться
привести результаты к желаемой интерпретации. Если следователи сосредоточат свои
вопросы вокруг гипотез, подлежащих проверке, можно разработать да/нет
или критерии включения/исключения из расследования. Секунда
рекомендация состоит в том, что исследователи определяют соответствующую референтную популяцию
для генетических анализов. В начале расследования сибирской язвы
неадекватная информация как о Северной Америке, так и о мире Б.
антрацис штаммов.

ВАЖНОСТЬ ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Случай с Ameritrax убедительно продемонстрировал важность наличия адекватных
филогенетическая информация о B. anthracis Ames, возбудителе
причастен к делу. К счастью, Пол Кейм и другие разработали
достаточно обширная, хотя и неполная картина эволюции
B. anthracis и распространение основных штаммов
По всему миру ().
Это знание штаммов B. anthracis помог
быстро определить личность агента атаки как штамм Эймса, потому что
его генетические характеристики можно сравнить с другими штаммами в
справочная база данных. Однако следует отметить, что штамм Эймса
необычен тем, что имеет короткую историю и ограниченное распространение. Если атака
штамм был чем-то иным, чем Эймс, его идентичность могла не быть
как просто определить.

РИСУНОК 2-2

Распространение B. anthracis по всему миру клон
родословная. филогенетические и географические отношения среди 1033 B.
антрацис изолятов. (Панель A) Структура населения
на основе анализа данных 12 канонических SNP. Количество
изоляты (N) и связанные с ними (подробнее…)

В более недавнем случае, связанном с сибирской язвой, д-р Ричард Випонд, Операционный отдел
Менеджер Лаборатории редких и завозных патогенов в Портон-Дауне в
Великобритания, проведен обзор судебно-медицинской экспертизы, проведенной в 2009-2010 гг.
вспышка сибирской язвы с использованием зараженного героина (Price et al., 2012; презентация Vipond, 2013).
В Соединенном Королевстве и Шотландии большинство редких заболеваний завозятся. Портон
Даун, часть системы общественного здравоохранения Великобритании, обладает значительным опытом в
этой области и является совместным центром ВОЗ по арбовирусам, вирусным геморрагическим
лихорадки и специальные возбудители, в том числе Б. сибирской язвы .
Исторически сибирская язва в Соединенном Королевстве была связана с
ввоз и заражение продуктами животного происхождения
«браунфилд» (загрязненные земли, ранее использовавшиеся для промышленных
цели) сайты. Вспышки среди крупного рогатого скота происходят в местах загрязненных могильных ям.
и импортные материалы; люди, ремонтирующие здания, могут заразиться через
обращение с такими материалами, как загрязненный пластырь из конского волоса.

Благодаря своему опыту работы с гильзами для драмтракса, Портон-Даун
у следователей были инструменты, разработанные командой Кейма для
Amerithrax на месте и, таким образом, смогли использовать 13 канонических SNP (Van Ert et al., 2007) и 8 MLVA.
локусы (Keim et al., 2000) до
быстро установить, что штаммы, связанные с героином, были одинаковыми,
в том числе и в Германии. Штаммы соответствовали Трансевразийской группе
штаммов, которые широко распространены, скорее всего, через торговые пути
(). Штамм имел
ранее не появлялся в Соединенном Королевстве и не показывался там на
карта в . в режиме реального времени
методы ПЦР, возможно разрешение вплоть до единственной копии, и т.д.
обнаружение не является серьезной проблемой. Было подтверждено 53 случая, и Vipond
подозреваемых, всего могло быть 117 случаев. Грунов и др. (2013) также сообщили, что в 2012 г.
дополнительные случаи произошли в Германии, Франции, Дании и США.
Царство.

Vipond не считает, что вспышка сибирской язвы, связанная с
биопреступление или биотеррористическая атака. Один из аргументов против вспышки
из-за биотерроризма заключается в том, что потребители наркотиков не являются идеальной целевой группой
для привлечения общественного интереса. Кроме того, когда полиция
активизировали свои операции в Глазго в надежде подтвердить источник,
они, возможно, способствовали распространению болезни, управляя
дистрибьюторы для продажи героина дальше, что приводит к возникновению случаев
в другом месте в Шотландии и в Англии. Считается, что немецкий случай
возникли в результате обычного маршрута торговли людьми.

Vipond также отметил, что анализы становятся все более чувствительными
и подбираем естественный фон. Ключевая потребность — знать, что там
уже, так что можно заметить разницу между преднамеренным выпуском и
новый природный очаг. Можно жить с естественными фоновыми уровнями
B. anthracis в почве и не заражаются. Таким образом
обнаружение становится лучше, можно будет определить, что там было
с незапамятных времен. Главное — уметь различать
аномалия и преднамеренный выпуск, чтобы никто не нажимал тревожную кнопку каждый раз
видно что-то необычное.

Доктор Руифу Ян из Пекинского института микробиологии и эпидемиологии в
Китай является признанным экспертом, среди прочего, в филогенезе и
эволюция Yersinia pestis , организма, вызывающего
чума. На семинаре в Загребе он рассмотрел свою работу с последовательностями генома.
Y. pestis , образцы которого были собраны в
по всему миру, чтобы показать, как филогенетика может помочь в судебной экспертизе микробов. Он
также обсудили влияние окружающей среды на экологию патогена и
эволюция. Экология патогена может сильно определять его геномную
разнообразие. Для некоторых микроорганизмов экологическое разнообразие велико, потому что
организмы могут занимать экологические ниши в почве, океане и даже в
человеческое тело, в котором микробных клеток в 10 раз больше, чем
клетки человека (Koeppel et al.,
2008).

Ян классифицировал бактериальные патогены на три группы в зависимости от скорости
геномная рекомбинация возбудителя, приобретение аллелей. А
геномно-мономорфный патоген, такой как Y. pestis или
B. anthracis редко проявляет рекомбинацию и, таким образом,
может быть относительно легко найти (см. ). Геномно промежуточный диверсифицированный патоген
(GIDP), например Escherichia coli или Klebsiella
pneumoniae , подвергается частой рекомбинации, но это не
обязательно влияет на идентификацию филогенетических взаимоотношений между
образцы. Но геномно высокоразнообразный патоген (GHDP), такой как
Helicobacter pylori или Vibrio
parahaemolyticus , имеет высокую частоту рекомбинации и
филогенетические отношения, особенно в глубоких ветвях,
искажено, что затрудняет отслеживание источника, хотя
можно различать популяции (например, азиатские и американские
штаммы).

РИСУНОК 2-3

Три классификации бактериальных патогенов. (A) Y. pestis: Редкая рекомбинация, с экономным
филогенетическое дерево. (B) Промежуточный уровень рекомбинации. (С) А
соединяющее соседние дерево из 157 Вибрион
parahaemolyticus геномов. В.
parahaemolyticus является (подробнее…)

Понимание экологии патогена и геномного разнообразия поможет
помощь в разработке стратегий микробной судебной экспертизы для отслеживания
источник возбудителя. Например, было бы уместно использовать SNP.
проследить все три вышеперечисленные категории возбудителей; использовать VNTR для
отследить возбудителей GIDP и GHDP; и использовать потерю или получение геномных фрагментов,
а также комбинированные маркеры для отслеживания возбудителей GIDP и GHDP. Базы данных могут
быть построен для размещения этих различных маркеров целей.

Y. pestis широко распространен в Китае. По состоянию на 2010 г.
насчитывалось 296 уездов с 1,437 млн ​​км ² природных очагов чумы.
В разных ландшафтах, климате и экологии хозяева (например, различные
виды сурка, белки, крысы) и штаммы бактерий различаются. Доктор Ян и
его коллеги пытаются понять сложные взаимодействия между
патогены, хозяева, насекомые-переносчики и окружающая среда. Они выполнили WGS
на отдельных штаммах и использовали сравнительную геномику, чтобы понять патоген
разнообразие, используя анализ SNP, чтобы понять передачу г.
pestis через историю и филогенетические различия в
штаммы. Сотрудничество с другими исследователями позволило им отслеживать
исторические передачи Y. pestis язв, которые
неоднократно появлялись из Китая на торговые пути, такие как Шелковый путь
(см.; Морелли и др., 2010). Эти
анализы позволили им отслеживать эволюцию различных штаммов. Черный
Штамм чумы Y. pestis отличался от штаммов
до и после него, а также экологический контекст, в котором штаммы
разработанные помогли сформировать эти различия.

РИСУНОК 2-4

Распространение Y. pestis. ИСТОЧНИК: Морелли и др.
(2010).

К сожалению, наличие информации на доступном уровне детализации
для сибирской язвы и чумы является необычным для большинства микроорганизмов (AAM, 2009a). Как отмечается в
открывая эту главу, микробный мир оказался гораздо более
обширна и разнообразна, чем предполагалось ранее. Метагеномные методы сейчас
дают возможность определить наличие новых микроорганизмов
гены непосредственно из образцов окружающей среды или из тел людей,
других животных и растений. Чтобы воспользоваться этой техникой, США
Национальные институты здравоохранения запустили крупный проект по
Микробиом и существуют сопоставимые европейские программы. Эти
усилия дали огромное количество новой информации о бактериях,
вирусы и микробные эукариоты, живущие внутри или на теле человека (например, см.
Быстрый запуск микробиома человека
Консорциум эталонных штаммов, 2010 г.). Один исследователь, Роб Найт,
даже исследовал возможность того, что бактерии кожи человека, которые появляются
быть уникальным для отдельных лиц, может использоваться в качестве криминалистического инструмента идентификации.
Найт и его команда обнаружили, что остаточные кожные бактерии, оставленные на предметах, могут
соответствовать кожным бактериям человека, прикоснувшегося к объекту.
Кроме того, эти бактерии могут быть извлечены из объектов, таких как
компьютерная мышь до 2 недель (Fierer et al., 2010). Однако человеческий микробиом
под влиянием самых разных факторов, например, здоровья,
Окружающая среда, диета, гигиена — которые создают множество проблем.

Другие группы стремятся охарактеризовать новые микроорганизмы, такие как вирусы
связаны с конкретными животными. Энтони и др. (2013) недавно сообщили о строгом и
систематические 5-летние усилия по обнаружению вирусов, связанных с одним
летучая мышь, индийская летучая лисица, переносчик вирусов Нипах и Хендра, среди
другие. Пятьдесят пять предполагаемых вирусов (50 из которых были новыми для науки) из
девять семейств вирусов были идентифицированы путем повторного отбора проб из этого
разновидность. Экстраполируя числа, полученные от индийской летучей мыши, на
Группа подсчитала, что остальные из примерно 5500 известных видов млекопитающих
существует как минимум 320 000 неоткрытых вирусов млекопитающих, ожидающих своей очереди.
описано, предполагая, что все виды млекопитающих имеют одинаковое количество
вирусы. Важность этой работы была охарактеризована как возможность
установление предварительных границ потенциального размера пула
зоонозных вирусов у млекопитающих. Другие «охотники за вирусами»
работают над созданием системы раннего предупреждения для мониторинга передачи
инфекционных заболеваний от животных к человеку. Работа Натана Вулфа в
Африка и Юго-Восточная Азия, например, предназначены для развития прогнозирования
возможности, которые позволили бы выявлять и смягчать потенциальные новые зоонозные заболевания
вспышки до того, как они перерастут в серьезные пандемии (Wolfe et al., 2007).

Такие усилия, однако, едва царапают поверхность микробного
Мир. Даже филогенетические исследования относительно хорошо
поняты, такие как B. anthracis , все еще неполные, и
до сих пор нет всемирного хранилища информации о видах патогенов
и напряжения или любые скоординированные усилия по развитию обмена информацией
механизмы. Джон Клементс отметил, что если учреждения общественного здравоохранения не
рутинный сбор данных эпиднадзора (например, о случаях гриппа), данные будут
не существует для использования правоохранительными органами в целях микробной судебной экспертизы. Такой
данные могут быть полезны для обоих секторов.

Д-р Аарон Дарлинг провел дальнейший обзор микробной экологии и разнообразия в
контексте криминалистики, сосредоточив внимание на метагеномике, которую он определяет как
изучение ДНК некультивируемых организмов. Он считает, что метагеномика
огромный потенциал, чтобы помочь в микробной криминалистике, но проблемы остаются
для оптимизации технологии. Основное преимущество использования метагеномики
заключается в том, что можно избежать культурной предвзятости (некоторые организмы воспроизводятся быстрее
чем другие). Однако у метагеномики есть и недостатки. Один
Предвзятость выделения ДНК. Организм не может быть секвенирован, если его ДНК не может быть
извлечено. Например, если ДНК попала в споры с твердым,
невзламываемые стены, извлечение может быть неудачным. Следовательно, нуклеин.
кислоты организма, которые легко экстрагируются в образце, могут свидетельствовать о
что этот организм находится в большем изобилии, тогда как другой
организм — возможно, представляющий интерес для судебной медицины — кажется мало
избыток. Второе ограничение состоит в том, что небольшое количество видов значительно
доминируют в большинстве экосистем. Трудно изучать редкие таксоны, к которым относятся
большинство видов, и интересующий организм может быть естественно
присутствуют в очень малом количестве. Эта ситуация потребует большого количества
секвенирования для характеристики, более высокой пропускной способности или лучшего нацеливания
информативных генетических маркеров.

Дарлинг заявил, что большая часть того, что известно об экологии и эволюции
патогенов происходит при изучении изолятов. Как и доктор Ян, он и его
коллеги классифицировали организмы по их склонности к рекомбинации,
деление их на организмы, которые имеют тенденцию быть мономорфными, те, которые
промежуточно клональные и сильно рекомбинирующие. Даже высоко
однако рекомбинантные организмы могут отражать очевидные филогенетические
структура.

Вирусологи лидируют в независимом от культуры судебно-медицинском анализе, и
было несколько случаев биопреступления, когда филогенетические доказательства были
используется для поддержки судебного преследования лиц за преднамеренное заражение
другие. В одном из таких случаев обвинялся ВИЧ-инфицированный.
преднамеренное заражение жертв. Анализы образцов последовательностей ДНК
вирус иммунодефицита человека 1 (ВИЧ-1), взятый у пострадавших и
предполагаемого подозреваемого были выполнены для того, чтобы реконструировать филогении
полимераза ретровируса ВИЧ ( pol ) и конверт
( env ) генов (Scaduto et al., 2010). ¹⁴ Однако Дарлинг с беспокойством отметила, что
анализ гена pol показывает кластер
жертвы pol последовательностей, которые делают
, а не включают любую из последовательностей подозреваемого,
тогда как анализ гена env показывает подозреваемого
последовательности являются наследственными для большинства последовательностей жертв (см. ).
Ген env был использован в качестве доказательства в поддержку ассоциации,
но кажущиеся противоречивыми результаты двух генов с разными эволюционными
ставки должны быть поняты и оценены.

РИСУНОК 2-5

Красные линии представляют последовательности ВИЧ от подозреваемого
преступник. Эти линии являются предками в
env генов, но не pol
гены в образцах жертв. ИСТОЧНИК: Scaduto et al.
(2010).

Дарлинг отметил ранее упомянутые методы, основанные на SNP.
для выведения филогений и проведения судебно-медицинских экспертиз. Он указал
что WGS, однако, произвел революцию в понимании бактериального
эволюция. В одном исследовании после секвенирования трех Кишечная палочка
геномы, исследователи составили список всех генов в геномах; только о
40% генов были общими для всех трех штаммов (Perna et al., 2001; Welch et al., 2002). Хотя было известно
какое-то время бактерии проявляли гетерогенность среди штаммов (например, Bergthorsson and Ochman, 1995),
Долгое время считалось, что представители одного и того же вида обычно имеют
очень гомогенные геномы и в значительной степени идентичны, потому что они
тот же вид. Это убеждение оказалось неверным, что вызвало споры по поводу
Характер определения вида у бактерий. Но также предложил
что можно было бы использовать генный контент, а не только нуклеотиды
последовательности для криминалистической характеристики, потому что содержание гена, по-видимому,
эволюционировать почти так же быстро, если не быстрее, чем нуклеотиды.

Дорогая информация о совместном пилотном проекте Университета
Калифорния, Дэвис и JGI, стремившиеся охарактеризовать генетическое
разнообразие микробных организмов во всем мире. ¹⁵ Как отмечалось ранее, если
создать базу данных справочной информации о различных микробных
экосистем по всему миру, необходимо понимание того, что существует.
исследователи собрали культуры примерно 100 организмов, которые они считали
самые разнообразные из культурных коллекций по всему миру и упорядочили их
геномы (Wu et al., 2009).
Затем они измерили скорость, с которой открывали новые гены.
очень высоко. Более того, новизна в содержании генов сильно коррелирует с новизной.
в 16S рРНК ¹⁶
последовательность (Wu et al., 2009).
Даже в пределах одного вида, с секвенированием каждого дополнительного генома,
происходит открытие новых генов.

По мере того, как открытие дополнительного разнообразия 16S рРНК продолжается, становится все более
яснее, что огромное и, вероятно, недостижимое количество секвенирования
потребуется, чтобы охарактеризовать всю микробную ДНК и РНК на
планета. Количество разнообразия 16S рРНК, описанное в культивируемых
образцы затмеваются количеством разнообразия, которое было описано в
некультивированные или клонированные культуры. Некультивируемое бактериальное разнообразие значительно
превышает известное разнообразие изолятов. Как получить доступ ко всему этому
некультурное разнообразие, если его нельзя вырастить? Необходимо уметь
создавать базы данных по фоновым микробным сообществам и использовать их в
судебная экспертиза.

Хотя метагеномика была предложена как решение этой задачи, Дорогой
показали, что метагеномика в ее нынешнем виде далека от адекватной. Там
два проблемных технических вопроса. Во-первых, образцы представляют собой сложные смеси.
При экстракции фрагменты ДНК из хромосом различных
микробы в образце смешиваются, и их нельзя легко собрать обратно
вместе. Во-вторых, в рамках подготовки образцов к секвенированию
уже фрагментированная ДНК расщепляется до гораздо меньших размеров, поэтому
химические секвенаторы могут их прочитать. Расщепляя более длинные молекулы,
информация теряется. В то время как сборка коротких длин чтения была возможна
с однородными образцами сборки проблематичны со сложными
образцы и некоторые гены или анонимные последовательности могут быть не обнаружены.
Кроме того, трудно разместить отдельные гены, если они обнаружены, на
одной и той же микробной хромосоме, даже если они изначально были синтетическими. Это становится
неясно, какие хромосомы какие, какие хромосомы были в каких клетках,
и какие гены были в каких хромосомах. Это чрезвычайно трудно
набор данных для анализа, и в настоящее время большинство анализов плохо справляются с
реконструкция клеточного происхождения геномного материала. Чтобы решить эту
проблемы, Дарлинг предлагает (1) физически «препарировать»
микробных сообществ для сохранения информации, (2) лучшего развития
методы вывода с помощью биоинформатики, и (3) разработка
альтернативные технологии секвенирования.

Дарлинг занимается исследованием амплификации и секвенирования ДНК из
одиночные клетки, полученные непосредственно из образцов окружающей среды (т. е. одноклеточные
геномика). Он и его коллеги секвенировали 201 некультивируемую культуру.
археи ¹⁷ и
бактериальные клетки из девяти различных местообитаний. Эти организмы принадлежали к 29
основные, но в основном незнакомые филогенетические ветви (Rinke et al., 2013). Дополнительный геномный
информация позволила исследователям решить многие внутри- и
отношения на уровне межфилума и предложить два новых суперфила. Однако,
микробное разнообразие, которое они смогли зафиксировать с помощью этого метода, было лишь
крошечная часть организмов в существующих базах данных генома. Поэтому это
метод в настоящее время не масштабируется для применения к микробным
судебная экспертиза.

Дарлинг считает, что самые важные метагеномные анализы в микробиологии
судебная экспертиза — это филогенетический анализ. Он объяснил, что в то время как классический,
выравнивание генома на основе изолята обеспечивает получение одной полноразмерной последовательности ДНК на
изолировать, метагеномные выравнивания дают множество фрагментов ДНК без
информацию о том, какие фрагменты происходят из одной и той же клетки. Текущий
методы филогенетического вывода предполагают, что полная информация о сцеплении
доступен. В частности, они предполагают, что полноразмерная последовательность ДНК для
исследуемый ген имеется у каждого анализируемого организма.
Однако метагеномные данные не удовлетворяют этим требованиям, поскольку данные
часто содержат небольшие неперекрывающиеся фрагменты каждого организма
последовательность генов. Два логических подхода, которые можно использовать для создания
филогенетические деревья из метагеномных данных включают филогенетическое размещение, в
которые прочитанные фрагменты «отображены» в ссылку
дерево филогении; и совместная оценка кластеров чтения. Этот процесс
основывается на предположении, что существует ограниченное количество разнообразия в
метагеномная выборка: даже если есть 20 миллионов прочтений, они должны сочетаться
на конечное число видов. Два способа реализации этого подхода включают
Байесовский эволюционный анализ путем выборки деревьев (BEAST), который
архитектура программного обеспечения для анализа молекулярных последовательностей, связанных
эволюционное дерево и PhyloSift.

Филогенетика, которая предоставляет информацию об эволюционных отношениях, основанных на
на генетических данных, можно использовать для определения того, что может присутствовать в образце.
Чем больше объем генетических данных, тем глубже разрешение
информацию о присутствующих микробах. С ограниченной информацией, такой как
единственный маркер, уровень типа может быть лучшим, что можно определить, что
вероятно, будет малопригодным для атрибуции и определения присутствия,
например, Select Agent. С целым геномом или несколькими генами,
возможна более глубокая классификация. Проверка байесовской гипотезы может быть
применяется к любому гену или генетическому маркеру филогении, включая гены токсинов
интерес. Метагеномные филогенетические данные также могут быть использованы для ответа
вопрос: «Какое наиболее близкое совпадение между интересующей выборкой
и базу данных связанных образцов? Это может быть выполнено с помощью
данные о филогенетическом размещении и «филогенетические
Расстояние Канторвича–Рубинштейна» (Evans and Matsen, 2012).

Однако эти методы можно применять одновременно только к одному гену или
совокупность филогенетически связанных генов. Возможность анализа всех генов
одновременно нужно. Учитывая современные технологии, информация, которая
содержащиеся в целых геномах, не будут полностью доступны, и некоторые
информация не будет зафиксирована. Аналитическая задача достижения
это соответствует реконструкции истории коэволюции всех генов
в филогенетической схеме. Эволюция сложная и сетчатая. В течение
дерево видов, существуют филогении отдельных генов, к которым относятся гены
дупликация, конверсия генов, латеральный перенос генов и гибель генов.
целевые области, которые определяют вид или штамм и отличают его от близких
соседи должны быть четко определены. В зависимости от
на филогенетическом разрешении. Ведутся работы по информатике и
филогенетическая реконструкция для решения проблем (Bérard et al., 2012; Boussau et al., 2013). Но
масштабирование этих методов сопряжено с техническими, стоимостными и обучающими проблемами и
вероятно, останется трудным.

ВОПРОС ОБМЕНА ДАННЫМИ

Даже если предпринимаются серьезные усилия по характеристике микробного разнообразия
всесторонне посредством секвенирования нуклеиновых кислот, если только данные, которые
собранные делятся таким образом, что ученые всего мира
доступа к ним, они не принесут оптимальной пользы ни обществу,
здоровье или микробиологическая экспертиза. В ходе обсуждения после семинара
сессия по микробной экологии и разнообразию, различные участники семинара
указал на множество проблем, связанных с обменом данными.

Пол Кейм указал на этот язык (например, английский или китайский) и
законы об экспортном контроле могут создавать проблемы для обмена данными, особенно для
организмы, которые считаются потенциальным биологическим оружием. Он отметил, что экспорт
законы контроля иногда можно обойти путем публикации данных, но
Д-р Ян заявил, что решение поделиться не всегда остается за
ученых, которым не всегда разрешается все публиковать. Ян сказал
что мировое научное сообщество могло бы оказать давление на правительства, чтобы решить
необходимость обмена данными, учитывая контекст биологического оружия, ссылаясь на потребности
общественное здравоохранение и микробная криминалистика. База данных Янга из г.
pestis , например, может помочь в отслеживании в случае
Вспышка Y. pestis в любой точке мира. Основная тема
среди участников семинара было то, что решения для обмена данными
остро нуждался. В идеале страны должны иметь свои собственные микроорганизмы.
коллекции и геномные базы данных и обмениваться ими. Но стандарты для
используемая технология будет необходима, чтобы все коллекции имели одинаковую
уровень тестирования, точность и качество. Кроме того, крупные развитые
страны имеют преимущество перед небольшими развивающимися странами, когда речь идет о
способность генерировать данные. Было предложено, чтобы международная структура
необходимо как для поощрения, так и для вознаграждения обмена данными.

Сноски

1

Изучение эволюционного родства между различными группами организмов
с помощью данных молекулярного секвенирования и матриц морфологических данных.

2

Область исследования, связанная с принципами и процессами, управляющими
географическое распространение генеалогических линий, особенно тех,
внутри и среди близкородственных видов.

3

http://www ​.fas.org/irp ​/offdocs/nspd/hspd-21.htm.

4

В период с ноября 2002 г. по июль 2003 г. Всемирная организация здравоохранения
зарегистрировано 8096 вероятных случаев атипичной пневмонии в 29 странах, 774 человека скончались.
(http://www .who.int/csr ​/sars/country/table2004_04_21/en/;
по состоянию на 6 апреля 2014 г.). Согласно одной оценке, экономический эффект
вспышка на $30 млрд (http://www ​. globalhealth ​.gov/global-health-topics ​/global-health-security/index ​.html;
по состоянию на 6 апреля 2014 г.).

5

http://www ​.who.int/zoonoses/en/; доступ 6 апреля,
2014.

6

См. http://www ​.who.int/ihr/about/en/ для получения дополнительной информации.
по поводу ИПЧ.

7

Дополнительную информацию о GPHIN можно найти по адресу http://www .who.int/csr ​/alertresponse/epidemicintelligence ​/en/
и http://www ​.hc-sc.gc.ca ​/ahc-asc/pubs/_intactiv ​/gphin-rmisp/index-eng.php.
Информацию о почте Pro-Med можно найти по адресу http://www ​.promedmail.org/aboutus/.

8

http://www ​.who.int/csr ​/alertresponse/epidemicintelligence ​/en/;
по состоянию на 4 апреля 2014 г.

9

http://www . who.int/csr ​/outbreaknetwork/en/; доступ
4 апреля 2014 г.

10

Дополнительную информацию можно найти на http://www ​.who.int/csr ​/bioriskreduction/laboratorynetwork ​/en/;
по состоянию на 4 апреля 2014 г.

11

http://www ​.glews.net/;
по состоянию на 6 апреля 2014 г.

12

Дополнительную информацию о Повестке дня можно найти по адресу http://www ​.globalhealth ​.gov/global-health-topics ​/global-health-security ​/ghsagenda.html;
по состоянию на 6 апреля 2014 г.

13

так же, как образцы сайта. Они используются при измерении
загрязнение, которое было введено в образец либо (1) в
поле, в то время как образцы были собраны или транспортированы в
лаборатории или (2) в лаборатории во время пробоподготовки или
анализ» (США.
Агентство по охране окружающей среды, 2004 г. ; http://www ​.epa.gov/oswer ​/riskassessment/ragsa/pdf/ch5.pdf).

14

Статья Scaduto et al. представляет молекулярные доказательства, использованные в двух
Уголовные дела США: Штат Вашингтон против Энтони Юджина
Whitfield , номер дела 04-1-0617-5 (Высший суд
штат Вашингтон, округ Терстон, 2004 г.) и , штат Техас против
Филипп Падье , номера дел 219-82276-07, 219-82277-07,
219-82278-07, 219-82279-07, 219-82280-07, 219-82705-07 (219-й
Окружной суд, округ Коллин, Техас, 2009 г.). Отмеченное несоответствие
by Darling происходит из дела Техаса.

15

Для получения дополнительной информации см. http://www .jgi.doe.gov ​/programs/GEBA/index.html.
По состоянию на 13 ноября 2013 г.

16

Ген 16S рРНК представляет собой участок прокариотической ДНК, обнаруженный у всех бактерий.
и археи.

17

Археи составляют домен одноклеточных микроорганизмов. Оба
домены бактерий и архей включают прокариотические организмы, но два
домены имеют разную историю эволюции.

микробиология | Определение, история и микроорганизмы

Streptococcus pyogenes

См. все СМИ

Ключевые люди:

Эммануэль Шарпантье
Джеймс П. Эллисон
Луи Пастер
Питер Пиот
Антони ван Левенгук

Связанные темы:

бактериология
вирусология
протозоология
гнотобиология
патология растений

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

микробиология , изучение микроорганизмов или микробов, разнообразной группы обычно мельчайших простых форм жизни, включающих бактерии, археи, водоросли, грибы, простейшие и вирусы. Эта область связана со структурой, функциями и классификацией таких организмов, а также со способами эксплуатации и контроля их деятельности.

Открытие в 17 веке живых форм, невидимых невооруженным глазом, стало важной вехой в истории науки, поскольку начиная с 13 века постулировалось, что «невидимые» существа ответственны за разложение и болезни. Слово микроб было придумано в последней четверти 19 века для описания этих организмов, которые считались родственными. По мере того, как микробиология со временем превратилась в специализированную науку, было обнаружено, что микробы представляют собой очень большую группу чрезвычайно разнообразных организмов.

Повседневная жизнь неразрывно связана с микроорганизмами. Помимо того, что микробы населяют как внутреннюю, так и внешнюю поверхности человеческого тела, микробы изобилуют почвой, морями и воздухом. Многочисленные, хотя обычно незамеченные, микроорганизмы дают достаточно доказательств своего присутствия — иногда неблагоприятных, например, когда они вызывают разложение материалов или распространение болезней, а иногда и благоприятных, например, когда они сбраживают сахар для вина и пива, вызывают подъем хлеба, ароматизируют сыры, и производить ценные продукты, такие как антибиотики и инсулин. Микроорганизмы имеют неоценимое значение для экологии Земли, разрушая останки животных и растений и превращая их в более простые вещества, которые могут быть переработаны в другие организмы.

Историческая справка

Микробиология по существу началась с разработки микроскопа. Хотя другие, возможно, видели микробы до него, именно Антони ван Левенгук, голландский торговец тканями, чьим хобби было шлифование линз и изготовление микроскопов, был первым, кто надлежащим образом задокументировал свои наблюдения. Его описания и рисунки включали простейших из кишок животных и бактерии из соскобов с зубов. Его рекорды были превосходны, потому что он производил увеличительные линзы исключительного качества. Левенгук сообщил о своих открытиях в серии писем Британскому королевскому обществу в середине 1670-х годов. Хотя его наблюдения вызвали большой интерес, никто не сделал серьезной попытки их повторить или расширить. Таким образом, «анималкулы» Левенгука, как он их называл, оставались для ученых того времени просто диковинкой природы, и энтузиазм в отношении изучения микробов рос медленно. Лишь позже, во время возрождения в 18 в. давнего спора о том, может ли жизнь развиться из неживого материала, стало очевидным значение микроорганизмов в схеме природы, здоровья и благополучия человека.

Викторина «Британника»

Наука наугад Викторина

К какому царству относятся грибы? Какой динозавр был хищником размером с курицу? Проверьте свои знания в области науки с помощью этой викторины.

Спонтанное зарождение жизни против биотического зарождения

Древние греки верили, что живые существа могут возникнуть из неживой материи (абиогенез) и что богиня Гея могла создать жизнь из камней. Аристотель отбросил это представление, но по-прежнему считал, что животные могут возникать спонтанно из разнородных организмов или из почвы. Его влияние на эту концепцию самозарождения ощущалось еще в 17 веке, но к концу этого века началась цепочка наблюдений, экспериментов и аргументов, которые в конечном итоге опровергли эту идею. Это продвижение в понимании было тяжелым, оно включало в себя серию событий, при этом силы личности и индивидуальной воли часто заслоняли факты.

Хотя Франческо Реди, итальянский врач, опроверг в 1668 году, что высшие формы жизни могут возникать спонтанно, сторонники этой концепции утверждали, что микробы были другими и действительно возникали таким образом. Такие прославленные имена, как Джон Нидхэм и Лаззаро Спалланцани, были противниками в этом споре в середине 1700-х годов. В начале 1800-х годов Франц Шульце и Теодор Шванн были главными фигурами в попытках опровергнуть теории абиогенеза, пока Луи Пастер, наконец, не объявил результаты своих убедительных экспериментов в 1864 году. В серии мастерских экспериментов Пастер доказал, что только ранее существовавшие микробы могут давать начало другим микробам (биогенез). Современные и точные знания о формах бактерий можно отнести к немецкому ботанику Фердинанду Кону, основные результаты которого были опубликованы между 1853 и 189 гг.2. Классификация бактерий Кона, опубликованная в 1872 г. и расширенная в 1875 г., впоследствии доминировала в изучении этих организмов.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Джироламо Фракасторо, итальянский ученый, еще в середине 1500-х годов выдвинул идею о том, что заражение — это инфекция, которая передается от одного объекта к другому. Описание того, что именно передается, ускользало от открытия до конца 1800-х годов, когда работа многих ученых, в первую очередь Пастера, определила роль бактерий в брожении и болезнях. Роберт Кох, немецкий врач, определил процедуру (постулаты Коха) для доказательства того, что определенный организм вызывает определенное заболевание.

Основа микробиологии была надежно заложена в период примерно с 1880 по 1900 год. Ученики Пастера, Коха и других в быстрой последовательности открыли множество бактерий, способных вызывать определенные заболевания (патогены). Они также разработали обширный арсенал методов и лабораторных процедур для выявления вездесущности, разнообразия и способностей микробов.

Прогресс ХХ века

Раскройте потенциал технологий в области микробиологических исследований

Посмотреть все видео к этой статье

Все эти события происходили в Европе. Лишь в начале 1900-х годов микробиология утвердилась в Америке. Многие микробиологи, работавшие в то время в Америке, учились либо у Коха, либо в Пастеровском институте в Париже. Когда-то основанная в Америке микробиология процветала, особенно в отношении таких родственных дисциплин, как биохимия и генетика. В 1923 году американский бактериолог Дэвид Берджи установил этот главный научный справочник, обновленные издания которого продолжают использоваться и сегодня.

С 1940-х годов микробиология пережила чрезвычайно продуктивный период, в течение которого было идентифицировано множество болезнетворных микробов и разработаны методы борьбы с ними. Микроорганизмы также эффективно используются в промышленности; их деятельность направлена ​​до такой степени, что ценные продукты теперь жизненно важны и обыденны.

Изучение микроорганизмов также расширило знания обо всех живых существах. С микробами легко работать, и поэтому они представляют собой простой инструмент для изучения сложных процессов жизни; как таковые они стали мощным инструментом для исследований в области генетики и метаболизма на молекулярном уровне. Это интенсивное исследование функций микробов привело к многочисленным и часто неожиданным результатам. Например, знание основного метаболизма и пищевых потребностей патогена часто приводит к средствам борьбы с болезнью или инфекцией.

Микробиом и микробные науки

Руководители направлений исследований: Роб Найт и Виктор Низе

Область исследований микробиома и микробиологии фокусируется на многочисленных критических взаимодействиях людей с микробным миром как в отношении здоровья, так и болезней. Разнообразные и междисциплинарные преподаватели этой области исследований применяют фундаментальные принципы микробиологии, иммунологии, молекулярно-клеточной биологии, фармакологии, -OMIC (геномика, протеомика, метаболомика) и системной биологии, чтобы понять состав и функции человеческого микробиома, и для выяснения молекулярного и клеточного патогенеза вирусных, бактериальных грибковых и паразитарных инфекционных заболеваний.

Микробы, которые обычно ингибируют наш кишечник, кожу и рот, обеспечивают подавляющее большинство генного содержимого нашего тела и помогают нам переваривать и перерабатывать питательные вещества, производя при этом собственные отходы и метаболиты. Важно отметить, что эти микробы постоянно взаимодействуют с нашей иммунной системой и помогают формировать ее. В настоящее время признано, что состав нашего микробиома влияет на различные заболевания, включая пищевую аллергию, ожирение, воспалительные заболевания кишечника, рак толстой кишки, ревматоидный артрит, атеросклероз, астму и даже на функцию и поведение мозга. Микробные сообщества, с которыми мы сталкиваемся дома, в больнице и на открытом воздухе, еще больше влияют на состояние нашего здоровья. Понимание нашего микробиома и его роли в здоровье человека может вдохновить на новые диагностические, профилактические и терапевтические вмешательства. Действительно, богатое химическое и метаболическое разнообразие микробиома само по себе является многообещающим источником для открытия новых лекарств.

Инфекционные заболевания, вызываемые бактериями, вирусами, грибками и другими паразитами, остаются основными причинами смерти, инвалидности и социальных и экономических потрясений. Инфекции наиболее распространены в развивающихся странах и среди беднейших слоев населения с ограниченным или отсутствующим доступом к комплексному медицинскому обслуживанию, средствам профилактики и лекарствам. Сохраняющиеся угрозы включают ВИЧ/СПИД, малярию и забытые тропические болезни, а также пандемический грипп и коронавирусную болезнь. Повышение устойчивости патогенов к антибиотикам (например, MRSA, полирезистентный туберкулез, C. difficile) представляет серьезную угрозу для современной медицины, какой мы ее знаем. Исследования в этом направлении направлены на поиск инновационных методов лечения инфекционных заболеваний для противодействия этой угрозе с помощью высокопроизводительного скрининга, химической геномики и инновационных стратегий, таких как ингибирование факторов вирулентности, усиление иммунитета, дизайнерские вакцины, пробиотики и бактериофаги.

преподавателя в области исследований микробиома и микробиологии расположены не только на факультетах Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего и Школы фармации и фармацевтических наук Скаггса, но и в более широком кампусе Калифорнийского университета в Сан-Диего, включая биологические науки, химию и биохимию, Биоинженерия и Институт океанографии Скриппса. Учебная площадка является частью одноименной инициативы на территории кампуса и работает в тесном сотрудничестве с Центром инноваций в области микробиома Калифорнийского университета в Сан-Диего, совместной программой по иммунологии Института аллергии и иммунологии Калифорнийского университета в Сан-Диего и Ла-Хойи и предстоящее сотрудничество по остановке антибиотикорезистентных микробов (CHARM).

BMS предоставляет единую основную учебную программу для всех первокурсников. В зависимости от своих интересов учащиеся могут выбирать из ряда факультативных курсов, чтобы выполнить свои требования по выбору из 15 единиц. Курсы, связанные с этой областью исследований, перечислены ниже.

Квартал	Номер курса	Название курса	Единицы
Зимний	лв. 238A	Интегративная микробиология I
Пружина	238 левов	Интегративная микробиология II
Зима	225 лв.	Выпускник иммунологии
Пружина	226 лв.	Выпускник вирусологии
Пружина	264 лв.	Структурная биология вирусов

Области исследований

• Биология рака

• Клеточная и биология развития

• Вычислительная биология и наука о данных

• Генетика и геномика

• Иммунология

• Микробиом и микробные науки

• Молекулярная и структурная биология

• Молекулярная фармакология и открытие лекарств

• Нейробиология болезни

• Междисциплинарные учебные центры

Незначительные микробные науки | CALS

Второстепенная специальность по микробиологии предназначена для студентов, которые либо не зачислены на специальность биологии, либо изучают другую специальность, кроме микробиологии, в рамках специальности биологии. Чтобы пройти несовершеннолетний, студенты должны

• Студенты должны получить не менее 15 кредитов по курсам микробиологии.
• Не менее 2 курса должны быть посвящены базовой микробиологии (из группы A), чтобы получить важные знания в области микробиологических наук.
• Не менее 1 курс должен быть посвящен экологии микробов и микробиологии окружающей среды (из группы B)
• не менее 1 курс должен быть посвящен прикладной и патогенной микробиологии (из группы C).

Группа A – Фундаментальная биология микроорганизмов (требуется 2 курса)

• BioMi 1100 — Раздевалки, кухни и спальни: микробиология студенческой жизни (3 балла, S)
• BioMI 2900 – Лекции по общей микробиологии (3 кредита; Ж, И)
• BioMI 2911 – Лаборатория общей микробиологии (2 кредита; Ж, И)
• BioMI 4850 – Бактериальная генетика* (2 – 3 кредита; Ж)

Группа B — Микробная экология, разнообразие и микробиология окружающей среды (требуется 1 курс)

• BIOMI 1120 — Микробы, Земля и все остальное (3 cr; F)
• BioMI 3500 — Морские микробы и болезни (3 cr, S)

Группа C – Прикладная и патогенная микробиология (требуется 1 курс)

• BioMI 2500 – Микробиология общественного здравоохранения (3 кр, F)
• BIOMI 2600 – Микробиология инфекционных заболеваний человека (3 кр, S, SU)
• BIOMI 2950 – Биология инфекционных заболеваний: от молекул к экосистемам (3 кр , F)
• BioMI 3210 – Human Microbes and Health* (3 cr, F)
• BioMI 3310 – General Parasitology (2 cr, S)
• BioMI 3940 – Applied and Food Microbiology* (3 cr, F)
• BioMI 4040 – Патогенная бактериология* (2 – 3 кредита, S)
• BioMI 4090 – Принципы вирусологии* (3 кр, F)
• BioMI 4310 – Медицинская паразитология (2 кр, F)
• BIOMS 4340 – Клеточный и молекулярный микробный патогенез (3 кр; S)

* Обратите внимание, что BioMI 2900 является обязательным условием для большинства продвинутых курсов по микробиологии

*Все курсы, выбранные для основного курса, могут не учитываться для дополнительного

Зачисление на дополнительный курс микробиологии

все студенты всех специальностей, кроме биологии. Специалисты по биологии должны пройти учебную программу для Концентрации в микробиологии. Программа Minor доступна для студентов всех колледжей Корнельского университета.

Формальной процедуры зачисления на специальность «Микробиология» не существует. Студенты, заинтересованные в получении дополнительного образования, должны связаться с координатором программы бакалавриата по микробиологии Яном Хьюсоном (hewson [at] cornell.edu), чтобы договориться о встрече с членом комитета по учебной программе по микробиологии. Во время этой встречи студенты рассмотрят запланированные курсы с младшим консультантом по микробиологии (назначенным на тот момент). Студенты несут ответственность за планирование своей второстепенной программы обучения совместно со своим консультантом по своей специальности.

Чтобы получить дополнительное образование в области микробиологии, студенты должны заполнить форму «Программа дополнительного обучения в области микробиологии», доступную в 102 Wing Hall (Административный офис Департамента микробиологии) или онлайн на этом сайте не позднее 31 января до начала Крайний срок выпуска в мае или не позднее 30 сентября до крайнего срока выпуска в декабре. После отправки формы студент должен назначить встречу со своим младшим консультантом. Студенты должны заполнить форму Заявления о поступлении в аспирантуру и принести копию своего стенограммы (это не обязательно должна быть официальная копия), чтобы подтвердить завершение несовершеннолетнего. После удовлетворительного рассмотрения заявки и стенограммы младший консультант подпишет форму и уведомит регистратора об успешном завершении.

Студенты, желающие засчитать предметы, пройденные во время обучения за границей, должны обратиться к своему младшему консультанту или координатору программы бакалавриата (hewson [at] cornell.edu). Студенты должны быть готовы предоставить программу курса, а также имя и контактную информацию инструктора курса. Второстепенный консультант рассмотрит учебный план и свяжется с преподавателями Корнелла, преподающими аналогичные предметы, чтобы проверить соответствие кредита. Вообще говоря, курсы, которые охватывают тот же материал, что и курсы в кампусе, будут рассматриваться для зачета.

Комитет по учебной программе по микробиологии периодически пересматривает курсы, доступные в Корнелле, для включения в дополнительный курс по микробиологии. Если вас интересует предмет, которого в настоящее время нет в списке, свяжитесь с координатором программы бакалавриата Яном Хьюсоном по адресу hewson [at] cornell.edu. Будут рассмотрены только курсы, относящиеся к микробиологии, и курсы, относящиеся к четырем основным направлениям несовершеннолетнего: вводные курсы по микробиологии, биологии микроорганизмов, микробной экологии, микробиологии разнообразия и окружающей среды, а также прикладной и патогенной микробиологии. Студенты должны пройти хотя бы один курс в каждой из этих четырех групп.

BioG 2990/4990 в лаборатории микробиологии может засчитываться в требования лабораторного курса при условии утверждения координатором программы бакалавриата. Студенты должны представить подробное описание выполненной работы, преподавателя, который руководил работой, и того, как работа была оценена (например, статья, презентация) своему младшему советнику.