Escherichia coli ( / ˌ ɛ ʃ ɪ ˈ r ɪ k i ə ˈ k oʊ l aɪ / ; обычно сокращенно E. coli ) — грамотрицательная гаммапротеобактерия, обычно встречающаяся в нижнем отделе кишечника теплокровных организмов(эндотермов). Потомки двух изолятов, штаммов K-12 и B, обычно используются в молекулярной биологии как инструмент и модельный организм.
Escherichia coli — один из самых разнообразных видов бактерий, имеющий несколько патогенных штаммов с различными симптомами и только 20% генома, общего для всех штаммов. [1] Более того, с эволюционной точки зрения, представители рода Shigella ( dysenteriae , flexneri , boydii , sonnei ) на самом деле являются штаммами E. coli «под маской» (т. е. E. coli парафилетична к роду). [2]
В 1885 году немецкий педиатр Теодор Эшерих впервые обнаружил этот вид в фекалиях здоровых людей и назвал его Bacterium coli commune , поскольку он обнаруживается в толстой кишке, а ранние классификации прокариот поместили их в несколько родов на основе их формы и подвижности (в то время действовала классификация бактерий Эрнста Геккеля в царстве Monera [3] ). [4]
После пересмотра классификации бактерий в 1895 году Мигула переклассифицировал ее как Bacillus coli [5] , а позднее переклассифицировал как Escherichia coli [6] .
Благодаря простоте культивирования и быстрому удвоению он использовался в ранних микробиологических экспериментах; однако бактерии считались примитивными и доклеточными и им уделялось мало внимания до 1944 года, когда Эвери, Маклеод и Маккарти продемонстрировали, что ДНК является генетическим материалом, используя Salmonella typhimurium , после чего Escherichia coli стала использоваться для исследований картирования сцепления. [7]
Четыре из многочисленных штаммов E. coli (K-12, B, C и W) считаются модельными штаммами организмов. Они классифицированы в группе риска 1 в руководствах по биобезопасности. [ необходима цитата ]
Первый изолят Escherichia был депонирован в NCTC в 1920 году Институтом Листера в Лондоне (NCTC 86 [1] Архивировано 25 июля 2011 г. в Wayback Machine ). [8]
Штамм был выделен из образца кала пациента, выздоравливающего от дифтерии, и был обозначен как K-12 (не антиген) в 1922 году в Стэнфордском университете. [9] Этот изолят использовался в 1940-х годах Чарльзом Э. Клифтоном для изучения метаболизма азота, который поместил его в ATCC (штамм ATCC 10798, архив 2011-07-25 в Wayback Machine ) и одолжил его Эдварду Татуму для его экспериментов по биосинтезу триптофана, [10] несмотря на его идиосинкразии, связанные с фенотипом F+ λ+. [7] В ходе пассажей он утратил свой антиген O [7] и в 1953 году был излечен сначала от своего фага лямбда (штамм W1485, архивировано 25 июля 2011 г. на Wayback Machine с помощью УФ-излучения Джошуа Ледербергом и коллегами), а затем в 1985 году от плазмиды F путем обработки акридиновым оранжевым. [ необходима ссылка ] Штаммы, полученные от MG1655, включают DH1, родительский для DH5α и, в свою очередь, DH10B (переименованный в TOP10 компанией Invitrogen [11] ). [12] Альтернативной линией от W1485 является линия W2637 (которая содержит инверсию rrnD-rrnE), которая, в свою очередь, привела к W3110. [8] Из-за отсутствия специальных записей «родословная» штаммов была недоступна и ее пришлось выводить, сверяясь с лабораторными книгами и записями, чтобы создать Центр генетического фонда E. coli в Йельском университете Барбарой Бахманн . [9] Различные штаммы были получены путем обработки E. coli K-12 такими агентами, как азотистый иприт, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и т. д. Обширный список производных штаммов Escherichia coli K-12 и их индивидуальную конструкцию, генотипы, фенотипы, плазмиды и информацию о фагах можно просмотреть на Ecoliwiki.
Вторым распространенным лабораторным штаммом является штамм B, история которого менее однозначна, и первое название штамма как E. coli B было дано Дельбрюком и Лурией в 1942 году в их исследовании бактериофагов T1 и T7. [13] Первоначальный штамм E. coli B, известный тогда как Bacillus coli , произошел от Феликса д'Эрелля из Института Пастера в Париже около 1918 года, который изучал бактериофаги, [14] который утверждал, что он произошел из коллекции Института Пастера, [15] но штаммов того периода не существует. [8] Штамм д'Эрелля был передан Жюлю Борде, директору Института Пастера в Брабанте в Брюсселе [16] и его ученику Андре Гратиа. [17] Первый передал штамм Энн Каттнер («Bact. coli, полученная от доктора Борде») [18] и, в свою очередь, Эжену Воллману (B. coli Bordet), [19] чей сын депонировал его в 1963 году (CIP 63.70) как «штамм BAM» (B American), в то время как Андре Гратиа передал штамм Марте Воллштейн , исследователю из Рокфеллера, которая в 1921 году назвала штамм «Брюссельским штаммом Bacillus coli », [20] который, в свою очередь, передал его Жаку Бронфенбреннеру (B. coli PC), который передал его Дельбрюку и Лурии. [8] [13] Этот штамм дал начало нескольким другим штаммам, таким как REL606 и BL21. [8]
E. coli C морфологически отличается от других штаммов E. coli ; она имеет более сферическую форму и отличается особым распределением нуклеоида. [21]
Штамм W был выделен из почвы недалеко от Ратгерского университета Селманом Ваксманом . [22]
Благодаря своей долгой истории лабораторной культуры и простоте манипуляций, E. coli также играет важную роль в современной биологической инженерии и промышленной микробиологии . [23] Работа Стэнли Нормана Коэна и Герберта Бойера по E. coli , в которой использовались плазмиды и рестрикционные ферменты для создания рекомбинантной ДНК , стала основой биотехнологии. [24]
Считаясь очень универсальным хозяином для производства гетерологичных белков , [25] исследователи могут вводить гены в микробы с помощью плазмид, что позволяет производить белки в промышленных процессах ферментации. Также были разработаны генетические системы, которые позволяют производить рекомбинантные белки с использованием E. coli . Одним из первых полезных применений технологии рекомбинантной ДНК было манипулирование E. coli для производства человеческого инсулина . [26] Модифицированные E. coli использовались при разработке вакцин , биоремедиации и производстве иммобилизованных ферментов . [25]
E. coli успешно использовались для получения белков, которые ранее считались сложными или невозможными для E. coli , например, содержащих множественные дисульфидные связи или требующих посттрансляционной модификации для стабильности или функционирования. Клеточная среда E. coli обычно слишком восстановительная для образования дисульфидных связей, поэтому белки с дисульфидными связями могут секретироваться в ее периплазматическое пространство , однако мутанты, у которых нарушено восстановление как тиоредоксинов, так и глутатиона, также позволяют производить белки с дисульфидными связями в цитоплазме E. coli . [27] Он также использовался для получения белков с различными посттрансляционными модификациями, включая гликопротеины, с использованием системы N-связанного гликозилирования Campylobacter jejuni, сконструированной в E. coli . [28] [29] В настоящее время предпринимаются усилия по расширению этой технологии для получения сложных гликозилирований. [30] [31]
Также проводятся исследования по программированию E. coli для потенциального решения сложных математических задач, таких как задача о гамильтоновом пути . [32]
E. coli часто используется в качестве модельного организма в микробиологических исследованиях. Культивируемые штаммы (например, E. coli K-12) хорошо адаптированы к лабораторной среде и, в отличие от штаммов дикого типа , утратили способность размножаться в кишечнике. Многие лабораторные штаммы теряют способность образовывать биопленки . [33] [34] Эти особенности защищают штаммы дикого типа от антител и других химических атак, но требуют больших затрат энергии и материальных ресурсов. [ необходима цитата ]
В 1946 году Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум впервые описали явление, известное как бактериальная конъюгация, используя E. coli в качестве модельной бактерии, [35] и она остается основной моделью для изучения конъюгации. [36] E. coli была неотъемлемой частью первых экспериментов по пониманию генетики фагов , [37] и ранние исследователи, такие как Сеймур Бензер , использовали E. coli и фаг T4, чтобы понять топографию структуры гена. [38] До исследований Бензера не было известно, был ли ген линейной структурой или имел ли он разветвленный рисунок. [ необходима цитата ]
E. coli была одним из первых организмов, геном которого был секвенирован; полный геном E. coli K-12 был опубликован журналом Science в 1997 году. [39]
Долгосрочные эволюционные эксперименты с использованием E. coli , начатые Ричардом Ленски в 1988 году, позволили напрямую наблюдать основные эволюционные сдвиги в лабораторных условиях. [40] В этом эксперименте одна популяция E. coli неожиданно развила способность аэробно метаболизировать цитрат . Эта способность встречается у E. coli крайне редко . Поскольку неспособность к аэробному росту обычно используется в качестве диагностического критерия, с помощью которого можно отличить E. coli от других, близкородственных бактерий, таких как сальмонелла , это нововведение может обозначать событие видообразования , наблюдаемое в лабораторных условиях. [ необходима цитата ]
