Escherichia coli ( / ˌ ɛ ʃ ə ˈ r ɪ k i ə ˈ k oʊ l aɪ / ESH -ə- RIK -ee-ə KOH -lye ) [1] [2] — грамотрицательная , факультативно- анаэробная палочка- Оформленная колиформная бактерия рода Escherichia , которая обычно встречается в нижних отделах кишечника теплокровныхорганизмов. [3] [4] Большинство штаммов E. coli безвредны, но некоторые серотипы , такие как EPEC и ETEC, являются патогенными и могут вызывать серьезные пищевые отравления у своих хозяев, а иногда являются причиной случаев заражения пищевых продуктов , которые приводят к отзыву продукции. [5] [6] Большинство штаммов являются частью нормальной микробиоты кишечника и безвредны или даже полезны для человека (хотя эти штаммы, как правило, менее изучены, чем патогенные ). [7] Например, некоторые штаммы E. coli приносят пользу своим хозяевам, производя витамин К 2 [8] или предотвращая колонизацию кишечника патогенными бактериями . Эти взаимовыгодные отношения между кишечной палочкой и людьми представляют собой тип мутуалистических биологических отношений, в которых и люди, и кишечная палочка приносят пользу друг другу. [9] [10] Кишечная палочка выбрасывается в окружающую среду вместе с фекалиями. Бактерия массово размножается в свежих фекалиях в аэробных условиях в течение трех дней, но затем ее численность медленно снижается. [11]
E. coli и другие факультативные анаэробы составляют около 0,1% микробиоты кишечника [12] , а фекально-оральная передача является основным путем, посредством которого патогенные штаммы бактерий вызывают заболевания. Клетки способны выживать вне организма в течение ограниченного периода времени, что делает их потенциальными организмами-индикаторами для тестирования образцов окружающей среды на фекальное загрязнение . [13] [14] Тем не менее, все больше исследований изучают экологически устойчивую кишечную палочку , которая может выжить в течение многих дней и расти вне хозяина. [15]
Бактерию можно легко и недорого выращивать и культивировать в лабораторных условиях, и ее интенсивно исследуют уже более 60 лет. E. coli — хемогетеротроф , чья химически определенная среда должна включать источник углерода и энергии . [16] E. coli является наиболее широко изученным прокариотическим модельным организмом и важным видом в области биотехнологии и микробиологии , где она служила организмом-хозяином для большинства работ с рекомбинантной ДНК . При благоприятных условиях для размножения требуется всего 20 минут. [17]
E. coli — грамотрицательная, факультативно-анаэробная , неспорирующая колиформная бактерия . [18] Клетки обычно имеют палочковидную форму, длину около 2,0 мкм , диаметр 0,25–1,0 мкм и объем клетки 0,6–0,7 мкм 3 . [19] [20] [21]
E. coli окрашивается грамотрицательно, поскольку ее клеточная стенка состоит из тонкого слоя пептидогликана и внешней мембраны. В процессе окрашивания E. coli приобретает цвет контрастного сафранина и окрашивается в розовый цвет. Внешняя мембрана, окружающая клеточную стенку, обеспечивает барьер для некоторых антибиотиков , поэтому пенициллин не повреждает E. coli . [16]
Жгутики , позволяющие бактериям плавать, имеют перитрихальное расположение . [22] Он также прикрепляется и стирается с микроворсинками кишечника посредством молекулы адгезии, известной как интимин . [23]
E. coli может жить на самых разных субстратах и использует смешаннокислое брожение в анаэробных условиях, производя лактат , сукцинат , этанол , ацетат и углекислый газ . Поскольку многие пути смешанно-кислотного брожения производят газообразный водород , эти пути требуют, чтобы уровни водорода были низкими, как в случае, когда E. coli живет вместе с организмами, потребляющими водород, такими как метаногены или сульфатредуцирующие бактерии . [24]
Кроме того, метаболизм кишечной палочки можно перенастроить таким образом, чтобы он использовал исключительно CO 2 в качестве источника углерода для производства биомассы. Другими словами, метаболизм этого облигатного гетеротрофа может быть изменен для проявления автотрофных способностей путем гетерологичной экспрессии генов фиксации углерода , а также формиатдегидрогеназы и проведения лабораторных экспериментов по эволюции. Этого можно добиться, используя формиат для уменьшения числа переносчиков электронов и обеспечения АТФ, необходимого для анаболических путей внутри этих синтетических автотрофов. [25]
E. coli имеет три нативных гликолитических пути: EMPP , EDP и OPPP . EMPP использует десять ферментативных стадий для получения двух пируватов , двух АТФ и двух НАДН на молекулу глюкозы , в то время как OPPP служит путем окисления для синтеза НАДФН . Хотя EDP является более термодинамически выгодным из трех путей, E. coli не использует EDP для метаболизма глюкозы , полагаясь в основном на EMPP и OPPP. EDP в основном остается неактивным, за исключением периода роста с глюконатом . [26]
При выращивании в присутствии смеси сахаров бактерии часто потребляют сахара последовательно посредством процесса, известного как катаболитная репрессия. Подавляя экспрессию генов, участвующих в метаболизме менее предпочтительных сахаров, клетки обычно сначала потребляют сахар, обеспечивающий самую высокую скорость роста, затем сахар, обеспечивающий следующую самую высокую скорость роста, и так далее. При этом клетки гарантируют, что их ограниченные метаболические ресурсы используются для максимизации скорости роста. Хорошо используемый пример с E. coli включает рост бактерий на глюкозе и лактозе , где E. coli потребляет глюкозу раньше лактозы . Катаболитная репрессия также наблюдалась в E. coli в присутствии других неглюкозных сахаров, таких как арабиноза и ксилоза , сорбит , рамноза и рибоза . В E. coli репрессия катаболитов глюкозы регулируется системой фосфотрансфераз , мультибелковым каскадом фосфорилирования , который связывает поглощение глюкозы и метаболизм . [27]
Оптимальный рост кишечной палочки происходит при температуре 37 °C (99 °F), но некоторые лабораторные штаммы могут размножаться при температуре до 49 °C (120 °F). [28] E. coli растет в различных лабораторных средах, таких как лизогенный бульон или любая среда, содержащая глюкозу , одноосновный фосфат аммония , хлорид натрия , сульфат магния , двухосновный фосфат калия и воду . Рост может быть обусловлен аэробным или анаэробным дыханием с использованием большого количества окислительно-восстановительных пар , включая окисление пировиноградной кислоты , муравьиной кислоты , водорода и аминокислот , а также восстановление таких субстратов, как кислород , нитрат , фумарат , диметилсульфоксид , и N-оксид триметиламина . [29] E. coli классифицируется как факультативный анаэроб . Он использует кислород , когда он присутствует и доступен. Однако он может продолжать расти и в отсутствие кислорода , используя ферментацию или анаэробное дыхание . Тип дыхания частично регулируется дуговой системой . Способность продолжать рост в отсутствие кислорода является преимуществом для бактерий, поскольку их выживаемость увеличивается в среде, где преобладает вода . [16]
Цикл бактериальной клетки делится на три стадии. Период B возникает между завершением деления клеток и началом репликации ДНК . Период C охватывает время, необходимое для репликации хромосомной ДНК. Период D относится к этапу между завершением репликации ДНК и окончанием деления клеток. [30] Скорость удвоения количества кишечной палочки выше, когда доступно больше питательных веществ. Однако продолжительность периодов C и D не меняется, даже когда время удвоения становится меньше суммы периодов C и D. При самых высоких темпах роста репликация начинается до завершения предыдущего раунда репликации, что приводит к образованию множества репликационных вилок вдоль ДНК и перекрыванию клеточных циклов. [31]
Число репликационных вилок у быстрорастущей E. coli обычно соответствует 2n (n = 1, 2 или 3). Это происходит только в том случае, если репликация инициируется одновременно из всех источников репликации и называется синхронной репликацией . Однако не все клетки в культуре реплицируются синхронно. В этом случае клетки не имеют кратных двум вилок репликации . В этом случае инициирование репликации называется асинхронным. [32] Однако асинхронность может быть вызвана мутациями, например, DnaA [32] или белка DiaA, связывающего инициатор DnaA . [33]
Хотя E. coli размножается путем бинарного деления, две предположительно идентичные клетки, образующиеся в результате деления клеток, функционально асимметричны, при этом старая полюсная клетка действует как стареющий родитель, который неоднократно производит омоложенное потомство. [34] При воздействии повышенного уровня стресса накопление повреждений в старой линии E. coli может превысить порог бессмертия, так что она останавливает деление и становится смертной. [35] Клеточное старение — это общий процесс, затрагивающий как прокариотов , так и эукариотов . [35]
E. coli и родственные бактерии обладают способностью переносить ДНК посредством бактериальной конъюгации или трансдукции , что позволяет генетическому материалу распространяться горизонтально в существующей популяции. Процесс трансдукции, в котором используется бактериальный вирус, называемый бактериофагом , [36] заключается в том, что распространение гена, кодирующего шига-токсин , от бактерий Shigella к E. coli , способствовало образованию E. coli O157:H7 , токсина Shiga. штамм-продуцент E.coli.
E. coli включает огромную популяцию бактерий, которые демонстрируют очень высокую степень как генетического, так и фенотипического разнообразия. Секвенирование генома многих изолятов E. coli и родственных бактерий показывает, что таксономическая реклассификация желательна. Однако этого не было сделано, во многом из-за его медицинской важности [37] , и E. coli остается одним из самых разнообразных видов бактерий: только 20% генов в типичном геноме E. coli являются общими для всех штаммов. [38]
Фактически, с более конструктивной точки зрения, представители рода Shigella ( S.dysenteriae , S.flexneri , S.boydii и S.sonnei ) должны быть классифицированы как штаммы E.coli , явление, называемое замаскированными таксонами . [39] Аналогичным образом, другие штаммы E. coli (например, штамм K-12, обычно используемый в работе с рекомбинантной ДНК ) настолько отличаются, что заслуживают переклассификации.
Штамм — это подгруппа внутри вида, имеющая уникальные характеристики, отличающие его от других штаммов . Эти различия часто обнаруживаются только на молекулярном уровне; однако они могут привести к изменениям в физиологии или жизненном цикле бактерий. Например, штамм может приобрести патогенную способность , способность использовать уникальный источник углерода , способность занять определенную экологическую нишу или способность противостоять противомикробным агентам . Различные штаммы E. coli часто специфичны для хозяина, что позволяет определить источник фекального загрязнения в пробах из окружающей среды. [13] [14] Например, знание того, какие штаммы кишечной палочки присутствуют в пробе воды, позволяет исследователям делать предположения о том, произошло ли заражение от человека, другого млекопитающего или птицы .
Распространенная система подразделения E. coli , но не основанная на эволюционном родстве, основана на серотипе, который основан на основных поверхностных антигенах (антиген O: часть липополисахаридного слоя; H: флагеллин ; антиген K : капсула), например O157:H7. ). [40] Однако обычно упоминают только серогруппу , то есть О-антиген . В настоящее время известно около 190 серогрупп. [41] Распространенный лабораторный штамм имеет мутацию, которая предотвращает образование О-антигена и поэтому не поддается типированию.
Как и все формы жизни, новые штаммы кишечной палочки развиваются посредством естественных биологических процессов мутации , дупликации генов и горизонтального переноса генов ; в частности, 18% генома лабораторного штамма MG1655 было приобретено горизонтально с момента его расхождения с Salmonella . [42] Штаммы E. coli K-12 и E. coli B являются наиболее часто используемыми разновидностями для лабораторных целей. Некоторые штаммы приобретают черты , которые могут быть вредны для животного-хозяина. Эти вирулентные штаммы обычно вызывают приступ диареи , который часто проходит самостоятельно у здоровых взрослых, но часто приводит к летальному исходу для детей в развивающихся странах. [43] Более вирулентные штаммы, такие как O157:H7 , вызывают серьезные заболевания или смерть у пожилых людей, очень молодых людей или людей с ослабленным иммунитетом . [43] [44]
Роды Escherichia и Salmonella разошлись около 102 миллионов лет назад (интервал достоверности: 57–176 млн лет назад), событие, не связанное с гораздо более ранней (см. Synapsid ) дивергенцией их хозяев: первый был обнаружен у млекопитающих, а второй - у птиц и рептилий. . [45] За этим последовало разделение предка Escherichia на пять видов ( E. albertii , E. coli , E. Fergusonii , E. Hermannii и E. vulneris ). Последний предок E. coli разделился между 20 и 30 миллионами лет назад. [46]
Долгосрочные эксперименты по эволюции с использованием E. coli , начатые Ричардом Ленски в 1988 году, позволили напрямую наблюдать эволюцию генома на протяжении более чем 65 000 поколений в лаборатории. [47] Например, кишечная палочка обычно не обладает способностью расти в аэробных условиях с цитратом в качестве источника углерода , который используется в качестве диагностического критерия для дифференциации кишечной палочки от других, близкородственных бактерий, таких как сальмонелла . В этом эксперименте одна популяция кишечной палочки неожиданно развила способность аэробно метаболизировать цитрат , что является серьезным эволюционным сдвигом с некоторыми признаками микробного видообразования .
В микробном мире могут быть установлены отношения хищничества, аналогичные тем, которые наблюдаются в мире животных. Было замечено, что E. coli является добычей многих хищников-универсалов, таких как Myxococcus xanthus . В этих отношениях хищник-жертва наблюдается параллельная эволюция обоих видов посредством геномных и фенотипических модификаций, в случае E. coli модификации модифицируются в двух аспектах, связанных с их вирулентностью, таких как выработка мукоидов (чрезмерное производство альгината экзоплазматической кислоты). ) и подавление гена OmpT , что приводит к лучшей адаптации одного из видов в будущих поколениях, которой противодействует эволюция другого, в соответствии с коэволюционной моделью, продемонстрированной гипотезой Красной Королевы . [48]
E. coli — типовой вид рода ( Escherichia ), а Escherichia — типовой род семейства Enterobacteriaceae , где название семейства не происходит от рода Enterobacter + «i» (так в оригинале) + « aceae », но от «энтеробактерий» + «ацей» (энтеробактерия - это не род, а тривиальное альтернативное название кишечной бактерии). [49] [50] [51]
Исходный штамм, описанный Эшерихом, считается утерянным, поэтому в качестве представителя был выбран новый типовой штамм (неотип): неотипический штамм U5/41 T , [52] также известный под депозитарным названием DSM 30083 , [53] ATCC 11775 , [54] и NCTC 9001, [55] , который является патогенным для кур и имеет серотип O1:K1:H7 . [56] Однако в большинстве исследований в качестве репрезентативной E. coli использовались либо O157:H7 , либо K-12 MG1655, либо K-12 W3110 . Геном типового штамма был секвенирован лишь недавно. [52]
Многие штаммы, принадлежащие к этому виду, были выделены и охарактеризованы. Помимо серотипа ( см. выше ), их можно классифицировать в соответствии с их филогенией , то есть предполагаемой эволюционной историей, как показано ниже, где виды разделены на шесть групп по состоянию на 2014 год. [57] [58] В частности, использование целых последовательности генома дают широко подтвержденные филогении. [52] Структура филогрупп остается устойчивой к новым методам и последовательностям, что иногда добавляет новые группы, что дает 8 или 14 по состоянию на 2023 год. [59] [60]
Связь между филогенетическим расстоянием («родством») и патологией невелика, [52] например, штаммы серотипа O157 :H7 , которые образуют кладу («исключительную группу») — группу E ниже — все являются энтерогеморрагическими штаммами (EHEC), но не все штаммы EHEC тесно связаны. Фактически, среди штаммов E. coli гнездятся четыре разных вида Shigella ( см. выше ), тогда как E. albertii и E.fergusonii находятся за пределами этой группы. Действительно, в филогеномном исследовании, включавшем типовой штамм, все виды шигелл были отнесены к одному подвиду E. coli . [52] Все обычно используемые исследовательские штаммы E. coli относятся к группе А и происходят главным образом от штамма Клифтона К-12 (λ + F + ; О16) и в меньшей степени от штамма « Bacillus coli » Д'Эрелля. (штамм В; О7).
Было множество предложений пересмотреть таксономию, чтобы она соответствовала филогении. [52] Однако все эти предложения должны учитывать тот факт, что Шигелла остается широко используемым названием в медицине, и найти способы уменьшить любую путаницу, которая может возникнуть в результате переименования. [61]
Первая полная последовательность ДНК генома E. coli (производное лабораторного штамма K-12 MG1655) была опубликована в 1997 году. Это кольцевая молекула ДНК длиной 4,6 миллиона пар оснований , содержащая 4288 аннотированных генов, кодирующих белок (организованных в 2584 оперона) . ), семь оперонов рибосомальной РНК (рРНК) и 86 генов транспортной РНК (тРНК). Несмотря на то, что они были предметом интенсивного генетического анализа в течение примерно 40 лет, многие из этих генов ранее были неизвестны. Было обнаружено, что плотность кодирования очень высока: среднее расстояние между генами составляет всего 118 пар оснований. Было обнаружено, что геном содержит значительное количество мобильных генетических элементов , повторяющихся элементов, загадочных профагов и остатков бактериофагов . [62] Большинство генов имеют только одну копию. [63]
Известно более трехсот полных геномных последовательностей видов Escherichia и Shigella . Последовательность генома типового штамма E. coli была добавлена в эту коллекцию до 2014 года. [52] Сравнение этих последовательностей показывает значительное разнообразие; только около 20% каждого генома представляют собой последовательности, присутствующие в каждом из изолятов, в то время как около 80% каждого генома могут различаться у разных изолятов. [38] Каждый отдельный геном содержит от 4000 до 5500 генов, но общее количество различных генов среди всех секвенированных штаммов E. coli (пангеном) превышает 16 000. Такое очень большое разнообразие составляющих генов было интерпретировано как означающее, что две трети пангенома E. coli произошли от других видов и прибыли в результате процесса горизонтального переноса генов. [64]
Гены E. coli обычно называют в соответствии с единой номенклатурой, предложенной Demerec et al. [65] Названия генов представляют собой трехбуквенные аббревиатуры, которые происходят от их функции (если она известна) или мутантного фенотипа и выделены курсивом. Если несколько генов имеют одну и ту же аббревиатуру, разные гены обозначаются заглавной буквой, которая следует за аббревиатурой и также выделяется курсивом. Например, RecA назван в честь его роли в гомологичной рекомбинации плюс буква A. Функционально связанные гены называются RecB , RecC , RecD и т. д. Белки называются аббревиатурами в верхнем регистре, например, RecA , RecB и т. д. Когда геном E. coli штамм К-12 субстр. MG1655 был секвенирован, все известные или предсказанные гены, кодирующие белок, были пронумерованы (более или менее) в их порядке в геноме и сокращены числами b, например b2819 (= RecD ). Имена «b» были созданы в честь Фреда Блаттнера , который возглавлял работу по секвенированию генома. [62] Другая система нумерации была введена с последовательностью другого субштамма E. coli K-12, W3110, который был секвенирован в Японии и, следовательно, использует номера, начинающиеся с JW... ( японский W 3110 ), например JW2787 (= RecD) . ). [66] Следовательно, RecD = b2819 = JW2787. Однако обратите внимание, что большинство баз данных имеют свою собственную систему нумерации, например, база данных EcoGene [67] использует EG10826 для RecD . Наконец, номера ECK специально используются для аллелей штамма MG1655 E. coli K-12. [67] Полные списки генов и их синонимов можно получить из таких баз данных, как EcoGene или Uniprot .
Последовательность генома E. coli предсказывает 4288 генов, кодирующих белок, из которых 38 процентов изначально не имели приписываемой функции. Сравнение с пятью другими секвенированными микробами показывает повсеместное, а также узко распространенное семейство генов; также очевидны многие семейства подобных генов в E. coli . Самое большое семейство паралогичных белков содержит 80 ABC-транспортеров. Геном в целом поразительно организован в отношении локального направления репликации; гуанины, олигонуклеотиды, возможно, связанные с репликацией и рекомбинацией, и большинство генов ориентированы именно так. Геном также содержит элементы инсерционной последовательности (IS), остатки фагов и многие другие участки необычного состава, указывающие на пластичность генома за счет горизонтального переноса. [62]
В нескольких исследованиях экспериментально исследовался протеом E. coli . К 2006 году 1627 (38%) предсказанных белков ( открытые рамки считывания , ORF) были идентифицированы экспериментально. [68] Матеус и др. В 2020 году обнаружено 2586 белков, содержащих как минимум 2 пептида (60% всех белков). [69]
Хотя, по-видимому, гораздо меньше бактериальных белков имеют посттрансляционные модификации (ПТМ) по сравнению с эукариотическими белками, значительное количество белков модифицировано в E. coli . Например, Потель и др. (2018) обнаружили 227 фосфопротеинов , из которых 173 фосфорилировались по гистидину . Интересно, что большинство фосфорилированных аминокислот представляли собой серин (1220 сайтов) и только 246 сайтов на гистидине , 501 фосфорилированный треонин и 162 тирозина . [70]
Интерактом E. coli был изучен методами аффинной очистки и масс-спектрометрии (AP/MS) , а также путем анализа бинарных взаимодействий между его белками.
Белковые комплексы . В ходе исследования 2006 года из культур штамма К-12 было очищено 4339 белков и найдены взаимодействующие партнеры для 2667 белков, многие из которых в то время имели неизвестные функции. [71] Исследование 2009 года выявило 5993 взаимодействия между белками одного и того же штамма E. coli , хотя эти данные мало совпадают с данными публикации 2006 года. [72]
Бинарные взаимодействия . Раджагопала и др. (2014) провели систематический двухгибридный скрининг дрожжей с большинством белков E. coli и обнаружили в общей сложности 2234 белок-белковых взаимодействий. [73] Это исследование также интегрировало генетические взаимодействия и белковые структуры и картировало 458 взаимодействий в 227 белковых комплексах .
E. coli принадлежит к группе бактерий, неофициально известных как колиформы , которые встречаются в желудочно-кишечном тракте теплокровных животных . [49] Кишечная палочка обычно колонизирует желудочно-кишечный тракт ребенка в течение 40 часов после рождения, попадая с пищей или водой или от людей, имеющих дело с ребенком. В кишечнике кишечная палочка прикрепляется к слизистой толстой кишки . Это основной факультативный анаэроб желудочно-кишечного тракта человека. [74] ( Факультативные анаэробы — это организмы, которые могут расти как в присутствии, так и в отсутствие кислорода.) Пока эти бактерии не приобретают генетические элементы , кодирующие факторы вирулентности , они остаются доброкачественными комменсалами . [75]
Благодаря низкой стоимости и скорости, с которой ее можно выращивать и модифицировать в лабораторных условиях, кишечная палочка является популярной платформой экспрессии для производства рекомбинантных белков, используемых в терапии. Одним из преимуществ использования E. coli по сравнению с другой платформой экспрессии является то, что E. coli естественным образом не экспортирует многие белки в периплазму , что упрощает извлечение интересующего белка без перекрестного загрязнения. [76] Штаммы E. coli K-12 и их производные (DH1, DH5α, MG1655, RV308 и W3110) являются штаммами, наиболее широко используемыми в биотехнологической промышленности. [77] Непатогенные штаммы E. coli Nissle 1917 (EcN), (Mutaflor) и E. coli O83:K24:H31 (Colinfant) [78] [79] ) используются в качестве пробиотических средств в медицине, главным образом для лечения различных желудочно-кишечные заболевания , [80] включая воспалительные заболевания кишечника . [81] Считается, что штамм EcN может препятствовать росту условно-патогенных микроорганизмов, включая сальмонеллу и другие колиформные энтеропатогены, посредством продукции белков микроцина и продукции сидерофоров . [82]
Большинство штаммов E. coli не вызывают заболеваний, естественно обитая в кишечнике [83] , но вирулентные штаммы могут вызывать гастроэнтерит , инфекции мочевыводящих путей , неонатальный менингит , геморрагический колит и болезнь Крона . [84] Общие признаки и симптомы включают сильные спазмы в животе, диарею, геморрагический колит, рвоту и иногда лихорадку. В более редких случаях вирулентные штаммы также вызывают некроз (гибель тканей) и перфорацию кишечника без прогрессирования до гемолитико-уремического синдрома , перитонита , мастита , сепсиса и грамотрицательной пневмонии . Очень маленькие дети более подвержены развитию тяжелых заболеваний, таких как гемолитико-уремический синдром; однако здоровые люди всех возрастов подвергаются риску серьезных последствий, которые могут возникнуть в результате заражения кишечной палочкой . [74] [85] [86] [87]
Некоторые штаммы кишечной палочки , например O157:H7, могут продуцировать шига-токсин . Токсин шига вызывает воспалительные реакции в клетках-мишенях кишечника, оставляя после себя поражения, которые приводят к кровавой диарее, которая является симптомом инфекции E. coli , продуцирующей шига-токсин, (STEC). Этот токсин также вызывает преждевременное разрушение эритроцитов, которые затем закупоривают фильтрующую систему организма, почки, в некоторых редких случаях (обычно у детей и пожилых людей), вызывая гемолитико-уремический синдром (ГУС), который может привести к почечной недостаточности. и даже смерть. Признаками гемолитико-уремического синдрома являются снижение частоты мочеиспускания, вялость, бледность щек и внутренней части нижних век. У 25% больных ГУС возникают осложнения со стороны нервной системы, что, в свою очередь, приводит к инсультам . Кроме того, этот штамм вызывает скопление жидкости (поскольку почки не работают), что приводит к отекам вокруг легких, ног и рук. Увеличение скопления жидкости, особенно вокруг легких, препятствует работе сердца, вызывая повышение артериального давления. [88] [86] [87]
Уропатогенная кишечная палочка (УПЭК) является одной из основных причин инфекций мочевыводящих путей . [89] Он является частью нормальной микробиоты кишечника и может вводиться разными способами. В частности, у женщин направление подтирания после дефекации (подтирание спиной вперед) может привести к фекальному загрязнению урогенитальных отверстий. Анальный секс также может привести к попаданию этой бактерии в мужскую уретру, а при переходе от анального к вагинальному половому акту мужчина также может ввести УПЕК в женскую мочеполовую систему.
Энтеротоксигенная кишечная палочка (ETEC) является наиболее распространенной причиной диареи путешественников : ежегодно во всем мире в развивающихся странах регистрируется до 840 миллионов случаев. Бактерии, обычно передающиеся через загрязненную пищу или питьевую воду, прикрепляются к слизистой оболочке кишечника , где выделяют один из двух типов энтеротоксинов , что приводит к водянистой диарее. Частота и тяжесть инфекций выше среди детей в возрасте до пяти лет, включая 380 000 смертей ежегодно. [90]
В мае 2011 года один штамм E. coli , O104:H4 , стал объектом бактериальной вспышки , начавшейся в Германии . Определенные штаммы кишечной палочки являются основной причиной болезней пищевого происхождения . Вспышка началась, когда несколько человек в Германии были инфицированы энтерогеморрагической бактерией E. coli (EHEC) , что привело к гемолитико-уремическому синдрому (ГУС) – неотложной медицинской помощи, требующей срочного лечения. Вспышка затронула не только Германию, но и 15 других стран, включая регионы Северной Америки. [91] 30 июня 2011 года немецкий Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) (Федеральный институт оценки рисков, федеральный институт в составе Федерального министерства продовольствия, сельского хозяйства и защиты потребителей Германии ) объявил, что причиной, вероятно, были семена пажитника из Египта. вспышки EHEC. [92]
Некоторые исследования продемонстрировали отсутствие кишечной палочки во флоре кишечника пациентов с метаболическим расстройством фенилкетонурией . Предполагается, что отсутствие этих нормальных бактерий ухудшает выработку ключевых витаминов B 2 (рибофлавин) и K 2 (менахинон) – витаминов, которые участвуют во многих физиологических функциях человека, таких как клеточный и костный метаболизм – и, таким образом, способствует расстройство. [93]
Устойчивая к карбапенемам кишечная палочка ( кишечная палочка , продуцирующая карбапенемазы ) , устойчивая к антибиотикам класса карбапенемов , считается лекарством последней инстанции при таких инфекциях. Они устойчивы, поскольку производят фермент карбапенемазу , который выводит из строя молекулу лекарства. [94]
Время между проглатыванием бактерий STEC и возникновением тошноты называется «инкубирующим периодом». Инкубационный период обычно длится 3–4 дня после заражения, но может составлять от 1 дня до 10 дней. Симптомы часто начинаются медленно с легкой боли в животе или диареи без крови, которая ухудшается в течение нескольких дней. ГУС, если он возникает, развивается в среднем через 7 дней после появления первых симптомов, когда диарея улучшается. [95]
Диагностику инфекционной диареи и выявление резистентности к противомикробным препаратам проводят с помощью посева стула с последующим тестированием на чувствительность к антибиотикам . Для культивирования желудочно-кишечных патогенов требуется минимум 2 дня и максимум несколько недель. Показатели чувствительности (истинно положительный результат) и специфичности (истинно отрицательный результат) культуры стула варьируются в зависимости от патогена, хотя ряд человеческих патогенов невозможно культивировать . Для образцов с положительным результатом посева тестирование на устойчивость к противомикробным препаратам занимает дополнительно 12–24 часа.
Современные молекулярно-диагностические тесты на местах оказания медицинской помощи позволяют выявить E. coli и устойчивость к противомикробным препаратам у выявленных штаммов гораздо быстрее, чем культуральное тестирование и тестирование на чувствительность. Платформы на основе микрочипов могут идентифицировать конкретные патогенные штаммы E. coli и гены AMR, специфичные для E. coli, за два часа или меньше с высокой чувствительностью и специфичностью, но размер тестовой панели (т. е. общее количество патогенов и генов устойчивости к противомикробным препаратам) невелик. ограничено. В настоящее время разрабатываются новые платформы диагностики инфекционных заболеваний, основанные на метагеномике, чтобы преодолеть различные ограничения культуры и всех доступных в настоящее время технологий молекулярной диагностики.
Основой лечения является оценка обезвоживания и восполнение жидкости и электролитов. Было показано, что назначение антибиотиков сокращает течение заболевания и продолжительность выделения энтеротоксигенной кишечной палочки (ETEC) у взрослых в эндемичных районах и при диарее путешественников, хотя уровень резистентности к обычно используемым антибиотикам растет, и они, как правило, не рекомендуется. [96] Используемый антибиотик зависит от особенностей чувствительности в конкретном географическом регионе. В настоящее время антибиотиками выбора являются фторхинолоны или азитромицин , при этом роль рифаксимина начинает возрастать . Рифаксимин, полусинтетическое производное рифамицина, является эффективным и хорошо переносимым антибактериальным средством для лечения взрослых с неинвазивной диареей путешественников. Рифаксимин был значительно более эффективен, чем плацебо, и не менее эффективен, чем ципрофлоксацин, в снижении продолжительности диареи. Хотя рифаксимин эффективен у пациентов с диареей путешественников с преобладанием кишечной палочки , он оказывается неэффективным у пациентов, инфицированных воспалительными или инвазивными энтеропатогенами . [97]
ETEC — это тип кишечной палочки , на котором сосредоточено большинство усилий по разработке вакцин. Антитела против LT и основных CF ETEC обеспечивают защиту от гомологичных CF, продуцирующих LT и экспрессирующих ETEC. Были разработаны пероральные инактивированные вакцины, состоящие из токсинового антигена и цельных клеток, то есть лицензированная рекомбинантная холерная субъединичная вакцина В-субъединицы (rCTB)-WC холерная вакцина Дукорал. В настоящее время не существует лицензированных вакцин против ETEC, хотя некоторые из них находятся на разных стадиях разработки. [98] В различных исследованиях вакцина против холеры rCTB-WC обеспечивала высокую (85–100%) кратковременную защиту. В клинических испытаниях было показано , что пероральная вакцина-кандидат ETEC, состоящая из rCTB и инактивированных формалином бактерий E. coli , экспрессирующих основные CF, безопасна, иммуногенна и эффективна против тяжелой диареи у американских путешественников, но не против диареи ETEC у маленьких детей в Египте . Модифицированная вакцина ETEC, состоящая из рекомбинантных штаммов E. coli, сверхэкспрессирующих основные CF, и более LT-подобного гибридного токсоида под названием LCTBA, проходит клинические испытания. [99] [100]
Другие проверенные методы профилактики передачи кишечной палочки включают мытье рук и улучшение санитарных условий и питьевой воды, поскольку передача происходит через фекальное загрязнение продуктов питания и воды. Кроме того, тщательное приготовление мяса и отказ от употребления сырых, непастеризованных напитков, таких как соки и молоко, являются другими проверенными методами предотвращения заражения кишечной палочкой . Наконец, при приготовлении пищи следует избегать перекрестного загрязнения посуды и рабочих мест. [101]
Благодаря долгой истории лабораторной культуры и простоте манипуляций E. coli играет важную роль в современной биологической инженерии и промышленной микробиологии . [103] Работа Стэнли Нормана Коэна и Герберта Бойера над кишечной палочкой с использованием плазмид и ферментов рестрикции для создания рекомбинантной ДНК стала основой биотехнологии. [104]
E. coli является очень универсальным хозяином для производства гетерологичных белков [105] , и были разработаны различные системы экспрессии белков , которые позволяют производить рекомбинантные белки в E. coli . Исследователи могут вводить гены в микробы, используя плазмиды, которые обеспечивают высокий уровень экспрессии белка, и такой белок может производиться массово в процессах промышленной ферментации . Одним из первых полезных применений технологии рекомбинантной ДНК было манипулирование кишечной палочкой для производства человеческого инсулина . [106]
Многие белки, которые ранее считались трудными или невозможными для экспрессии в E. coli в свернутой форме, были успешно экспрессированы в E. coli . Например, белки с множественными дисульфидными связями могут производиться в периплазматическом пространстве или в цитоплазме мутантов, которые подвергаются достаточному окислению, чтобы обеспечить образование дисульфидных связей, [107] в то время как белки, требующие посттрансляционной модификации , такой как гликозилирование , для стабильности или функции, был экспрессирован с использованием системы N-связанного гликозилирования Campylobacter jejuni, встроенной в E. coli . [108] [109] [110]
Модифицированные клетки E. coli использовались при разработке вакцин , биоремедиации , производстве биотоплива , [111] освещении и производстве иммобилизованных ферментов . [105] [112]
Штамм K-12 представляет собой мутантную форму E. coli , которая сверхэкспрессирует фермент щелочную фосфатазу (ЩФ). [113] Мутация возникает из-за дефекта в гене, который постоянно кодирует фермент. Говорят, что ген, производящий продукт без какого-либо ингибирования, обладает конститутивной активностью . Эту конкретную мутантную форму используют для выделения и очистки вышеупомянутого фермента. [113]
Штамм OP50 Escherichia coli используется для поддержания культур Caenorhabditis elegans .
Штамм JM109 представляет собой мутантную форму E. coli с дефицитом RecA и endA. Штамм можно использовать для скрининга синего/белого цвета, когда клетки несут эписому фактора фертильности. [114] Отсутствие RecA снижает возможность нежелательного рестрикции интересующей ДНК, а отсутствие endA ингибирует разложение плазмидной ДНК. Таким образом, JM109 полезен для систем клонирования и экспрессии.
E. coli часто используется в качестве модельного организма в микробиологических исследованиях. Культивируемые штаммы (например, E. coli K12) хорошо адаптированы к лабораторной среде и, в отличие от штаммов дикого типа , утратили способность развиваться в кишечнике. Многие лабораторные штаммы теряют способность образовывать биопленки . [115] [116] Эти особенности защищают штаммы дикого типа от антител и других химических атак, но требуют больших затрат энергии и материальных ресурсов. E. coli часто используется в качестве репрезентативного микроорганизма при исследовании новых методов очистки и стерилизации воды, включая фотокатализ . С помощью стандартных методов подсчета на чашках , последовательных разбавлений и роста на чашках с агаровым гелем можно оценить концентрацию жизнеспособных организмов или КОЕ (колониеобразующих единиц) в известном объеме очищенной воды, что позволяет провести сравнительную оценку характеристик материалов. [117]
В 1946 году Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум впервые описали явление, известное как бактериальная конъюгация, используя E. coli в качестве модельной бактерии [118] , и оно остается основной моделью для изучения конъюгации. [119] E. coli была неотъемлемой частью первых экспериментов по пониманию генетики фагов , [120] и ранние исследователи, такие как Сеймур Бензер , использовали E. coli и фаг T4, чтобы понять топографию структуры генов. [121] До исследования Бензера не было известно, имел ли ген линейную структуру или имел паттерн ветвления. [122]
E. coli была одним из первых организмов, геном которых секвенировали; полный геном E. coli K12 был опубликован журналом Science в 1997 году. [62]
С 2002 по 2010 год группа Венгерской академии наук создала штамм Escherichia coli под названием MDS42, который сейчас продается компанией Scarab Genomics из Мэдисона, штат Висконсин, под названием «Чистый геном E. coli », [123] где 15 % генома родительского штамма ( E. coli K-12 MG1655) был удален, чтобы повысить эффективность молекулярной биологии, удалив IS-элементы , псевдогены и фаги , что привело к лучшему сохранению кодируемых плазмидами токсичных генов, которые часто инактивируются транспозоны. [124] [125] [126] Биохимия и механизм репликации не изменились.
Оценивая возможное сочетание нанотехнологий с ландшафтной экологией , можно создать сложные ландшафты среды обитания с деталями на наноуровне. [127] В таких синтетических экосистемах были проведены эволюционные эксперименты с E. coli для изучения пространственной биофизики адаптации в островной биогеографии на чипе.
В других исследованиях непатогенная кишечная палочка использовалась в качестве модельного микроорганизма для понимания воздействия на нее моделируемой микрогравитации (на Земле). [128] [129]
С 1961 года учёные предложили идею использования генетических цепей для вычислительных задач. Сотрудничество биологов и ученых-компьютерщиков позволило разработать цифровые логические элементы метаболизма кишечной палочки . Поскольку оперон Lac представляет собой двухэтапный процесс, генетическая регуляция у бактерий используется для реализации вычислительных функций. Процесс контролируется на этапе транскрипции ДНК в информационную РНК. [130]
Проводятся исследования, направленные на то, чтобы запрограммировать E. coli для решения сложных математических задач, таких как задача гамильтониана пути . [131]
Разработан компьютер для контроля выработки белка E. coli в дрожжевых клетках . [132] Также был разработан метод использования бактерий в качестве ЖК-экрана . [133] [134]
В июле 2017 года отдельные эксперименты с кишечной палочкой , опубликованные в журнале Nature, показали потенциал использования живых клеток для вычислительных задач и хранения информации. [135] Команда, сформированная из сотрудников Института биодизайна Университета штата Аризона и Гарвардского института биологической инженерии Висса, разработала биологический компьютер внутри E. coli , который реагировал на дюжину входных сигналов. Команда назвала компьютер «рибокомпьютером», так как он состоял из рибонуклеиновой кислоты . [136] [137] Тем временем исследователи из Гарварда исследовали возможность хранения информации в бактериях после успешного архивирования изображений и фильмов в ДНК живых клеток E. coli . [138] [139] В 2021 году группа под руководством биофизика Санграма Бага провела исследование с E. coli , чтобы решить задачи лабиринта 2 × 2 , чтобы изучить принцип распределенных вычислений между клетками. [140] [141]
В 1885 году немецко-австрийский педиатр Теодор Эшерих обнаружил этот организм в кале здоровых людей. Он назвал ее Bacterium coli commune, потому что она обитает в толстой кишке. Ранние классификации прокариот отнесли их к нескольким родам на основании их формы и подвижности (в то время действовала классификация бактерий царства Монера , предложенная Эрнстом Геккелем ). [100] [142] [143]
Bacterium coli была типовым видом теперь недействительного рода Bacterium, когда выяснилось, что прежний типовой вид (« Bacterium triloculare ») отсутствует. [144] После пересмотра Bacterium , он был реклассифицирован как Bacillus coli Мигулой в 1895 году [145] и позже реклассифицирован в недавно созданный род Escherichia , названный в честь его первоначального первооткрывателя, Альдо Кастеллани и Альбертом Джоном Чалмерсом . [146]
В 1996 году в Уишоу, Шотландия, произошла вспышка пищевого отравления кишечной палочкой , в результате которой погиб 21 человек. [147] [148] Это число погибших было превышено в 2011 году, когда в 2011 году в Германии в результате вспышки кишечной палочки O104:H4 , связанной с органическими ростками пажитника, погибло 53 человека.
E. coli имеет несколько практических применений, помимо использования в качестве вектора для генетических экспериментов и процессов. Например, кишечную палочку можно использовать для получения синтетического пропана и рекомбинантного гормона роста человека. [149] [150]