Escherichia coli в молекулярной биологии
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 нижних отделах кишечника организмов теплокровных (эндотермов). Потомки двух изолятов, штамма K-12 и B, обычно используются в молекулярной биологии как инструмент и модельный организм.
Разнообразие
[ редактировать ]Escherichia coli — один из самых разнообразных видов бактерий, имеющий несколько патогенных штаммов с разными симптомами и имеющий только 20% общего для всех штаммов генома. [1] Более того, с эволюционной точки зрения представители рода Shigella ( dysenteriae , flexneri , boydii , sonnei ) на самом деле являются E. coli штаммами «замаскированными» (т.е. E. coli является парафилетической по отношению к этому роду). [2]
История
[ редактировать ]В 1885 году Теодор Эшерих , немецкий педиатр, 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 подвижность (в то время Эрнста Геккеля классификация бактерий в царстве Монера действовала [3] ). [4]
реклассифицировал ее как Bacillus coli После пересмотра книги «Бактерии» Мигула . в 1895 году [5] и позже реклассифицирован как Escherichia coli . [6]
Благодаря простоте культивирования и быстрому удвоению его использовали в ранних микробиологических экспериментах; однако бактерии считались примитивными и доклеточными, и им уделялось мало внимания до 1944 года, когда Эйвери, Маклауд и Маккарти продемонстрировали, что ДНК является генетическим материалом, используя Salmonella typhimurium , после чего Escherichia coli была использована для исследований по картированию связей. [7]
Штаммы
[ редактировать ]Четыре из многих штаммов E. coli (K-12, B, C и W) считаются штаммами модельных организмов. В рекомендациях по биобезопасности они отнесены к группе риска 1. [ нужна ссылка ]
Изолят Эшериха
[ редактировать ]Первый изолят Эшериха был депонирован в NCTC в 1920 году Институтом Листера в Лондоне ( NCTC 86 [1] Архивировано 25 июля 2011 г. в Wayback Machine ). [8]
К-12
[ редактировать ]Штамм был выделен из образца стула пациента, выздоравливающего от дифтерии, и был помечен K-12 (не антиген) в 1922 году в Стэнфордском университете. [9] Этот изолят был использован в 1940-х годах Чарльзом Э. Клифтоном для изучения азотистого метаболизма, который поместил его в ATCC (штамм ATCC 10798 , архивировано 25 июля 2011 г. в Wayback Machine ) и предоставил его Эдварду Татуму для его экспериментов по биосинтезу триптофана. [10] несмотря на его особенности, обусловленные фенотипом F+ λ+. [7] В ходе пассажей он потерял свой О-антиген. [7] и в 1953 году был вылечен сначала от фага лямбда ( штамм W1485, заархивированный 25 июля 2011 года в Wayback Machine с помощью УФ Джошуа Ледербергом и его коллегами), а затем в 1985 году от плазмиды F путем лечения акридиновым оранжевым. [ нужна ссылка ] Штаммы, полученные из MG1655, включают DH1, родительский для DH5α и, в свою очередь, DH10B (переименованный в TOP10 компанией Invitrogen). [11] ). [12] Альтернативной линией W1485 является W2637 (которая содержит инверсию rrnD-rrnE), что, в свою очередь, привело к появлению W3110. [8] Из-за отсутствия специального учета «родословная» штаммов не была доступна, и ее приходилось делать на основании лабораторных книг и записей, чтобы создать Барбарой Бахманн Центр генетического фонда E. coli в Йельском университете . [9] Различные штаммы были получены путем обработки E. coli K-12 такими агентами, как азотистый иприт, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и т. д. Обширный список производных штамма Escherichia coli K-12 и их индивидуальной конструкции, генотипов, фенотипов. Информацию о плазмидах и фагах можно просмотреть на Ecoliwiki .
Штамм Б
[ редактировать ]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 при исследовании бактериофагов T1 и T7. [13] Оригинальный штамм E. coli B, известный тогда как Bacillus coli , был получен Феликсом д'Эрелем из Института Пастера вПариж около 1918 года, изучавший бактериофаги. [14] который утверждал, что оно произошло из коллекции Института Пастера, [15] но штаммов того периода не существует. [8] Штамм д'Эреля был передан Жюлю Борде, директору Института Пастера дю Брабанта в Брюсселе. [16] и его ученик Андре Гратиа. [17] Первый передал штамм Энн Каттнер («Bact. coli, полученнаяот 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), а Андре Гратиа передал штамм Марте Вольштейн назвала этот штамм «брюссельским штаммом Bacillus coli , исследователю из Рокфеллера, которая в 1921 году ». , [20] который, в свою очередь, передал его Жаку Бронфенбреннеру (PC B. coli), который передал его Дельбрюку и Лурии. [8] [13] Этот штамм дал начало нескольким другим штаммам, таким как REL606 и BL21. [8]
Штамм С
[ редактировать ]E. coli C морфологически отличается от других E. coli штаммов ; он имеет более сферическую форму и имеет отчетливое распределение нуклеоида. [21]
W штамм
[ редактировать ]Штамм W был выделен из почвы возле Университета Рутгерса Сельманом Ваксманом . [22]
Роль в биотехнологии
[ редактировать ]Благодаря 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 над кишечной палочкой с использованием плазмид и ферментов рестрикции для создания рекомбинантной ДНК стала основой биотехнологии. [24]
Считается очень универсальным хозяином для производства гетерологичных белков . [25] Исследователи могут вводить гены в микробы с помощью плазмид, что позволит массово производить белки в процессах промышленной ферментации . Были также разработаны генетические системы, позволяющие производить рекомбинантные белки с использованием E.coli . Одним из первых полезных применений технологии рекомбинантной ДНК было манипулирование кишечной палочкой для производства человеческого инсулина . [26] Модифицированная кишечная палочка использовалась при вакцин разработке , биоремедиации и производстве иммобилизованных ферментов . [25]
E. coli успешно использовалась для производства белков, которые ранее считались трудными или невозможными для E. coli , например, тех, которые содержат множественные дисульфидные связи или тех, которые требуют посттрансляционной модификации для стабильности или функции. Клеточная среда E. coli обычно слишком восстановительна 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 белкам с дисульфидными связями вырабатываться в цитоплазме E. coli . [27] Его также использовали для производства белков с различными посттрансляционными модификациями, включая гликопротеины, с использованием N-связанной системы гликозилирования Campylobacter jejuni, встроенной 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 проблема гамильтонового пути . [32]
Модельный организм
[ редактировать ]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 развиваться 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 энергетических и материальных ресурсов. [ нужна ссылка ]
В 1946 году Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум впервые описали явление, известное как бактериальная конъюгация, используя E. coli в качестве модельной бактерии. [35] и он 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 Т4, чтобы понять топографию структуры генов. [38] До исследования Бензера не было известно, имеет ли ген линейную структуру или имеет структуру ветвления. [ нужна ссылка ]
E. coli была одним из первых организмов, геном которых секвенирован; полный геном E. coli K-12 был опубликован журналом Science в 1997 году. [39]
Эксперимент Ленски по долговременной эволюции
[ редактировать ]Долгосрочные эксперименты по эволюции с использованием E. coli , начатые Ричардом Ленски в 1988 году, позволили напрямую наблюдать основные эволюционные сдвиги в лаборатории. [40] В этом эксперименте одна популяция кишечной палочки неожиданно развила способность аэробно метаболизировать цитрат . Эта способность крайне редко встречается у E. coli . Поскольку неспособность к аэробному росту обычно используется в качестве диагностического критерия для дифференциации E. coli от других близкородственных бактерий, таких как сальмонелла , это нововведение может означать событие видообразования , наблюдаемое в лаборатории. [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лукьянченко О.; Вассенаар, ТМ; Ассери, Д.В. (2010). «Сравнение 61 секвенированного генома Escherichia coli» . Микроб. Экол . 60 (4): 708–720. Бибкод : 2010MicEc..60..708L . дои : 10.1007/s00248-010-9717-3 . ПМК 2974192 . ПМИД 20623278 .
- ^ Лан, Р.; Ривз, PR (2002). «Замаскированная Escherichia coli: молекулярное происхождение шигелл». Микробы заражают . 4 (11): 1125–1132. дои : 10.1016/S1286-4579(02)01637-4 . ПМИД 12361912 .
- ^ Геккель, Эрнст (1867). Общая морфология организмов . Раймер, Берлин. ISBN 978-1-144-00186-3 .
- ^ Эшерих Т. (1885). «Кишечные бактерии новорожденных и детей грудного возраста». Прогресс Мед . 3 :515-522.
- ^ МИГУЛА (В.): Bacteriaceae (палочковые бактерии). В: А. ЭНГЛЕР и К. ПРАНТЛ (ред.): Естественные семейства растений , В. Энгельманн, Лейпциг, Часть I, Раздел Ia, 1895, стр. 20–30.
- ^ КАСТЕЛЛАНИ (А.) и ЧАЛМЕРС (Э.Дж.): Руководство по тропической медицине , 3-е изд., Williams Wood and Co., Нью-Йорк, 1919.
- ^ Jump up to: а б с Ледербер, Дж. 2004 E. coli K-12. Микробиология сегодня 31:116
- ^ Jump up to: а б с д и Дэгелен, П.; Стьюдер, ФРВ; Ленский, Р.Э.; Кюр, С.; Ким, Дж. Ф. (2009). «Отслеживание предков и родственников Escherichia coli B и получение штаммов B REL606 и BL21 (DE3)». Журнал молекулярной биологии . 394 (4): 634–643. дои : 10.1016/j.jmb.2009.09.022 . ПМИД 19765591 .
- ^ Jump up to: а б Бахманн, Б.Дж. (1972). «Родословные некоторых мутантных штаммов кишечной палочки К-12» . Бактериологические обзоры . 36 (4): 525–557. doi : 10.1128/mmbr.36.4.525-557.1972 . ПМК 408331 . ПМИД 4568763 .
- ^ Татум Э.Л.; Ледерберг Дж. (1947). «Рекомбинация генов у бактерии Escherichia coli» . Дж. Бактериол . 53 (6): 673–684. дои : 10.1128/jb.53.6.673-684.1947 . ПМК 518375 . ПМИД 16561324 .
- ^ Генотипы E. coli - OpenWetWare
- ^ Мезельсон, М; Юань, Р. (1968). «Фермент рестрикции ДНК из E. Coli». Природа . 217 (5134): 1110–4. Бибкод : 1968Natur.217.1110M . дои : 10.1038/2171110a0 . ПМИД 4868368 . S2CID 4172829 .
- ^ Jump up to: а б Дельбрюк М.; Лурия С.Е. (1942). «Взаимодействие между бактериальными вирусами: I. Взаимодействие между двумя бактериальными вирусами, действующими на одного и того же хозяина, и механизм роста вируса». Арх. Биохим . 1 : 111–141.
- ^ Д'Эрель Ф (1918). «О роли бактериофага-фильтрующего микроба при бактериальной дизентерии». ЧР акад. Наука . 167 : 970–972.
- ^ д'Эрель, Ф. (1926). Бактериофаг и его поведение. Монографии Института Пастера, Masson et Cie, Библиотекари Медицинской Академии, бульвар Сен-Жермен, 120, Париж-VI, Франция.
- ^ Борде Дж.; Чука М. (1920). «Бактериофаг д'Эрелля, его производство и интерпретация». Соц отчеты. Биол . 83 : 1296–1298.
- ^ Грация А.; Жомейн Д. (1921). «Двойственность литического принципа кишечной палочки и стафилококка». Соц отчеты. Биол . 84 :882–884.
- ^ Каттнер А.Г. (1923). «Бактериофаговые явления» . Дж. Бактериол . 8 (1): 49–101. дои : 10.1128/jb.8.1.49-101.1923 . ПМК 379003 . ПМИД 16558985 .
- ^ Воллман Э (1925). «Исследование бактериофагии (феномен Творта-д’Эреля)». Энн. Инст. Пастор . 39 : 789–832.
- ^ Вольштейн М (1921). «Исследования феномена д'Эреля с Bacillusdysenteriae» . Дж. Эксп. Мед . 34 (5): 467–476. дои : 10.1084/jem.34.5.467 . ПМК 2128695 . ПМИД 19868572 .
- ^ Либ, М.; Вейгл, Джей Джей; Келленбергер, Э. (1955). «Исследование гибридов двух штаммов Escherichia coli» . Журнал бактериологии . 69 (4): 468–471. дои : 10.1128/jb.69.4.468-471.1955 . ПМЦ 357561 . ПМИД 14367303 .
- ^ Колин Т. Арчер; Джихён Ф. Ким; Хэён Чжон; Джин Х Пак; Клаудия Э. Викерс; Санг И Ли; Ларс К. Нильсен (2011). «Последовательность генома E. coli W (ATCC 9637): сравнительный анализ генома и улучшенная реконструкция генома E. coli» . БМК Геномика . 12 :9. дои : 10.1186/1471-2164-12-9 . ПМК 3032704 . ПМИД 21208457 .
- ^ Ли С.И. (1996). «Культура Escherichia coli с высокой плотностью клеток». Тенденции Биотехнологии . 14 (3): 98–105. дои : 10.1016/0167-7799(96)80930-9 . ПМИД 8867291 .
- ^ Руссо Э. (январь 2003 г.). «Рождение биотехнологии» . Природа . 421 (6921): 456–7. Бибкод : 2003Natur.421..456R . дои : 10.1038/nj6921-456a . ПМИД 12540923 .
- ^ Jump up to: а б Корнелис П. (2000). «Экспрессия генов в разных отсеках Escherichia coli». Современное мнение в области биотехнологии . 11 (5): 450–4. дои : 10.1016/S0958-1669(00)00131-2 . ПМИД 11024362 .
- ^ Тоф, Иланит (1994). «Технология рекомбинантной ДНК в синтезе инсулина человека» . Little Tree Pty. Ltd. Проверено 30 ноября 2007 г.
- ^ Пол Х. Бессетт; Фредрик Ослунд; Джон Беквит; Джордж Георгиу (1999). «Эффективное сворачивание белков с множественными дисульфидными связями в цитоплазме Escherichia coli» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 96 (24): 13703–8. Бибкод : 1999PNAS...9613703B . дои : 10.1073/pnas.96.24.13703 . ПМК 24128 . ПМИД 10570136 .
- ^ Ихсен Дж., Коварик М., Дилеттосо С., Таннер С., Вакер М., Тони-Мейер Л. (2010). «Производство гликопротеиновых вакцин на кишечной палочке» . Заводы по производству микробных клеток . 9 (61): 494–7. дои : 10.1186/1475-2859-9-61 . ПМЦ 2927510 . ПМИД 20701771 .
- ^ Вакер М., Линтон Д., Хитчен П.Г., Нита-Лазар М., Хаслам С.М., Норт С.Дж., Панико М., Моррис Х.Р., Делл А., Рен Б.В., Эби М. (2002). «N-связанное гликозилирование у Campylobacter jejuni и его функциональный перенос в E. coli». Наука . 298 (5599): 1790–1793. Бибкод : 2002Sci...298.1790W . дои : 10.1126/science.298.5599.1790 . ПМИД 12459590 .
- ^ Вальдеррама-Ринкон Дж.Д., Фишер А.С., Мерритт Дж.Х., Фан Ю.И., Ридинг К.А., Чиба К., Хейсс С., Азади П., Эби М., Делиса М.П. (2012). «Сконструированный путь гликозилирования эукариотических белков в Escherichia coli» . Nat Chem Biol . 8 (5): 434–6. дои : 10.1038/nchembio.921 . ПМЦ 3449280 . ПМИД 22446837 .
- ^ Хуан CJ, Линь Х, Ян X (2012). «Промышленное производство рекомбинантных терапевтических средств на основе Escherichia coli и его последние достижения» . J Ind Microbiol Biotechnol . 39 (3): 383–99. дои : 10.1007/s10295-011-1082-9 . ПМИД 22252444 . S2CID 15584320 .
- ^ «Э. coli может решать математические задачи» . Деканская хроника . 26 июля 2009 года . Проверено 26 июля 2009 г. [ мертвая ссылка ]
- ^ Фукс Калифорния, Ширтлифф М., Студли П., Костертон Дж.В. (2005). «Могут ли лабораторные эталонные штаммы отражать «реальный» патогенез?» . Тенденции Микробиол . 13 (2): 58–63. дои : 10.1016/j.tim.2004.11.001 . ПМИД 15680764 .
- ^ Видал О, Лонгин Р, Приджент-Комбаре С, Дорел С, Хореман М, Лежен П (1998). «Выделение мутантного штамма Escherichia coli K-12, способного образовывать биопленки на инертных поверхностях: участие нового аллеля ompR, который увеличивает экспрессию Curli» . Дж. Бактериол . 180 (9): 2442–9. дои : 10.1128/JB.180.9.2442-2449.1998 . ПМЦ 107187 . ПМИД 9573197 .
- ^ Ледерберг, Джошуа; Э. Л. Татум (19 октября 1946 г.). «Рекомбинация генов в E. coli» (PDF) . Природа . 158 (4016): 558. Бибкод : 1946Natur.158..558L . дои : 10.1038/158558a0 . ПМИД 21001945 . S2CID 1826960 . Источник: Национальная медицинская библиотека – Документы Джошуа Ледерберга.
- ^ Ф. Ксавье Гомис-Рют; Микель Колл (декабрь 2006 г.). «Разрезай и двигай: белковая техника для обработки ДНК при бактериальной конъюгации». Современное мнение в области структурной биологии . 16 (6): 744–752. дои : 10.1016/j.sbi.2006.10.004 . hdl : 10261/104348 . ПМИД 17079132 .
- ^ «Курс фагов – происхождение» . Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. 2006. Архивировано из оригинала 16 сентября 2006 года . Проверено 3 декабря 2007 г.
- ^ Бензер, Сеймур (март 1961 г.). «К топографии тонкой генетической структуры» . ПНАС . 47 (3): 403–15. Бибкод : 1961PNAS...47..403B . дои : 10.1073/pnas.47.3.403 . ПМК 221592 . ПМИД 16590840 .
- ^ Фредерик Р. Блаттнер; Гай Планкетт III; Крейг Блох; Николь Перна; Валери Берланд; Моника Райли; Хулио Кольядо-Видес; Джереми Гласнер; Кристофер Роде; Джордж Мэйхью; Джейсон Грегор; Нельсон Дэвис; Хизер Киркпатрик; Майкл Гёден; Дебра Роуз; Боб Мау; Ин Шао (5 сентября 1997 г.). «Полная последовательность генома Escherichia coli K-12» . Наука . 277 (5331): 1453–1462. дои : 10.1126/science.277.5331.1453 . ПМИД 9278503 .
- ^ Боб Холмс (9 июня 2008 г.). «Бактерии совершают серьезный эволюционный сдвиг в лаборатории» . Новый учёный . Архивировано из оригинала 28 августа 2008 года.
