关于大肠杆菌,你知道多少?

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基因科点普
0.1 2017.05.23 16:39* 字数 1997

之前我们介绍了科研中用得最多的植物和动物,但是大家会不会想到细菌也是我们广泛研究的对象,我们今天要讲的就是用得非常非常广泛的大肠杆菌(E. coli)。先上图:

大肠杆菌不是一种稀罕物,它存在于我们每一个人的体内。它是我们肠道中十分重要的正常菌群,能够提供我们自身合成不了的维生素K2。不过,它也有「使坏」的时候:当我们免疫力下降时,它就会成为机会致病菌,有可能引起我们肠道外的感染,比如败血症、泌尿道感染等;另一方面,有个别种类的大肠杆菌是有致病性的,能引起人类肠胃炎,导致腹痛、发热、腹泻等,在儿童中的症状甚至更为严重。不过总体来说,在正常条件下,那些无害种类的大肠杆菌与我们还是一个互惠共生的状态。

早期大肠杆菌电镜图片

大肠杆菌是个啥?

大肠杆菌,顾名思义是一种直杆状、棒状的细菌,它大约长2微米,菌体直径大约0.25至1微米,算是一种中等大小的杆菌了。它同时还是一种兼性厌氧的细菌,也就是说当有氧气存在的时候它可以利用氧气进行呼吸氧化,而当没有氧气的时候它则进行无氧发酵。这一点十分有利于它在肠道这种复杂环境中生存。

大肠杆菌对于营养的要求并不高,在我们实验室培养的时候,利用那种最普通的琼脂平板,在37℃进行过夜的培养,就能生长出2-3毫米的灰白色菌落。当然,它在人类肠道中的繁殖会更慢一些。

大肠杆菌的菌落(www.bacteriainphotos.com)

为什么叫“大肠杆菌”?

早在1885年,德国-奥地利籍的儿科医生Theodor Escherich在健康人的粪便中发现了这种细菌,并将其命名为“普通大肠细菌”(Bacterium coli commune),因为它是在结肠(colon)中被发现的。但是后来,为了纪念Theodor Escherich医生的伟大发现,科学家们重新定义并命名了该属为Escherichia,所以大肠杆菌的分类学名字Escherichia coli便是这样来的。

德国-奥地利籍的儿科医生Theodor Escherich

一开始,人们也只是将大肠杆菌作为一种普通的肠道细菌所看待,谁也没有想到它后来会在基因工程、生物能源、微生物工业以及模式生物研究中取得如此大的贡献。而这一切的开创者归属于两位美国科学家Stanley Norman Cohen和Herbert Boyer。

Stanley Norman Cohen的基因工程实验室

在讲两位科学家和大肠杆菌结缘的故事之前,有必要先跟大家讲解一下「质粒」。我们都知道,细菌作为原核生物,是没有细胞核的,它的基因组DNA是一团单一的密闭环形DNA,上面含有的都是细菌生长必不可少的基因。然而质粒则不同,尽管都是环形DNA,但是质粒是细菌染色体之外的遗传物质,存在于细胞质中。质粒上面含有的基因多是编码像菌毛、毒素及耐药性的产生等,因此并不是细菌生长所必要的,它所体现的更多是一种「加成的作用。

Cohen当时正在研究细菌的质粒,而Boyer则对大肠杆菌中的一种限制性内切酶十分感兴趣,这种酶可以识别特定的核苷酸序列,从而将核苷酸链从中间切断。他们两个人进行了合作,利用限制性内切酶重新组装了一个质粒,并将这个质粒导入到了大肠杆菌中并成功表达了出来。1973年,他们把这一结果汇总成论文进行发表,也由此宣告了基因工程时代的来临。

转染了表达荧光蛋白质粒的大肠杆菌菌落(www.flickr.com/photos/cdepaz)

与我们有什么关系?

大家可能会觉得基因工程不过是科研上的事,与普通人的生活并没有太大的联系。事实上并不是。你可以想象吗?它们就像是一个个小型的「生物工厂」,现代社会我们使用的医用人胰岛素、人干扰素、乙肝疫苗以及多种药物等,绝大多数或者相当部分都是由大肠杆菌表达我们特定的外源基因而生产出来的,大大降低了这些物质原本生产的成本,也为医学的发展做出了重要的贡献。

大肠杆菌——微型生物工厂(EIDEARD)

除了基因工程之外,大肠杆菌作为模式生物在细菌生理及行为的研究上也有着不可代替的作用。实验室中最常用到的是大肠杆菌的K12品系,在1997年的时候,科学家们就已经完成了对K12品系的全基因组测序。这一品系与正常的野生型大肠杆菌品系相比,已经失去了在肠道中生存的能力,但是却十分适合进行实验室研究及实验室环境繁殖。最经典的是美国科学家Joshua Lederberg和Edward Tatum利用大肠杆菌K12,发现了细菌特有的接合现象。

这有点类似于有性生殖生物中的性别,其中含有F因子(一种可以表达性菌毛的质粒)的可以类比为「雄性菌」,没有F因子的可以类比为「雌性菌」。「雄性菌」可以通过其上的性菌毛与「雌性菌」发生短暂的接合作用,这一短暂的接合当中,「雄性菌」会把这个F因子的质粒复制并转移给「雌性菌」,从而使之也变成「雄性菌」。这一现象的发现也为我们进行不同菌种之间的遗传物质交流等分子生物学及微生物遗传学的研究,提供了一个非常好的方法。

最后,再为大家介绍一下大肠杆菌在生物能源方面的应用。传统能源比如说像石油、煤炭等总会有用尽的一天,而对于发展它们的替代能源,科学家们也做了不少的研究。而在生物能源方面,大肠杆菌无疑是一个有重要戏份的角色。比如说Hiroyasu Yamamoto等在2011年通过基因改造,成功使大肠杆菌将植物中的糖转化为与传统柴油几乎一样的碳氢化合物,他们称之为「生物柴油」;还有的团队,比如说Pauli Kallio等科学家在2014年也同样通过基因改造,使得大肠杆菌可以生产出丙烷,丙烷作为一种清洁能源,市场也十分的广泛……

关于大肠杆菌的研究还有很多很多,谁也没有想到这个原本只待在我们肠道里的小家伙,如今已经深度融入到了无论是医学科研还是日常的生活及工业生产中,当然了,这或许也是它与人类之间的另一种方式的「互惠共生」。

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