Escherichia coli molekyylibiologiassa - Escherichia coli in molecular biology
Escherichia coli ( / ˌ ɛ ʃ ɪ r ɪ k i ə k oʊ l aɪ / ; yleisesti lyhennettynä E. coli ) ongram-negatiivinen gammaproteobacteriayleisesti alemmassasuolistossajalämminverisenorganismien (endotermit). Kahden isolaatin, K-12- ja B-kantojen, jälkeläisiä käytetään rutiininomaisesti molekyylibiologiassa sekä työkaluna että malliorganismina.
Monimuotoisuus
Escherichia coli on yksi monimuotoisimmista bakteerilajeista, ja sillä on useita patogeenisiä kantoja, joilla on erilaisia oireita, ja vain 20% genomista on yhteistä kaikille kannoille. Lisäksi evoluution näkökulmasta Shigella -suvun jäsenet ( dysenteriae, flexneri, boydii, sonnei ) ovat itse asiassa E. coli -kantoja "valepuvussa" (eli E. coli on suvulle parafiletinen ).
Historia
Vuonna 1885 saksalainen lastenlääkäri Theodor Escherich löysi tämän lajin ensimmäisen kerran terveiden yksilöiden ulosteesta ja kutsui sitä Bacterium coli communeksi, koska se löytyy paksusuolesta ja Prokaryoottien varhaisista luokituksista sijoitettiin kouralliseen sukuun niiden muodon ja liikkuvuus (tuolloin Ernst Haeckelin luokitus bakteereista Moneran valtakunnassa oli voimassa).
Bakteerien tarkistamisen jälkeen Migula luokitteli sen uudelleen Bacillus coliksi vuonna 1895 ja myöhemmin uudelleen Escherichia coliksi .
Viljelyn helppouden ja nopean kaksinkertaistumisen vuoksi sitä käytettiin varhaisissa mikrobiologisissa kokeissa; bakteereja pidettiin kuitenkin primitiivisinä ja esisoluisina, ja niihin kiinnitettiin vähän huomiota ennen vuotta 1944, kun Avery, Macleod ja McCarty osoittivat, että DNA oli geneettinen materiaali käyttäen Salmonella typhimuriumia, minkä jälkeen Escherichia colia käytettiin sidoskartoitustutkimuksiin.
Kannat
Neljää monista E. coli -kannoista (K-12, B, C ja W) ajatellaan malliorganismikannoina. Nämä on luokiteltu riskiryhmään 1 bioturvallisuusohjeissa.
Escherichin eristys
Ensimmäinen Escherich -isolaatti talletettiin NCTC: hen vuonna 1920 Lontoon Lister -instituutin toimesta ( NCTC 86 [1] ).
K-12
Kanta eristettiin difteriasta toipuvan potilaan ulosteenäytteestä ja merkittiin K-12: ksi (ei antigeeniksi) vuonna 1922 Stanfordin yliopistossa. Charles E.Clifton käytti tätä isolaattia 1940 -luvulla tutkiakseen typen aineenvaihduntaa, joka talletti sen ATCC: hen (kanta ATCC 10798 ) ja lainasi sen Edward Tatumille tryptofaanin biosynteesikokeita varten huolimatta sen ominaispiirteistä F+ λ+ -fenotyypin vuoksi. Käyntien aikana se menetti O -antigeeninsä ja vuonna 1953 se kovetettiin ensin lambda -faagistaan ( Joshua Lederbergin ja hänen kollegoidensa UV -kanta W1485 ) ja sitten vuonna 1985 F -plasmidista akridiinioranssi -kovetuksella. MG1655: stä peräisin oleviin kantoihin kuuluu DH1, DH5α: n kanta ja vuorostaan DH10B (Invitrogenin nimetty uudelleen TOP10: ksi). Vaihtoehtoinen linja W1485: stä on W2637 (joka sisältää inversion rrnD-rrnE), mikä puolestaan johti W3110: een. Koska erityistä kirjanpitoa ei ollut, kantojen "sukutaulu" ei ollut saatavilla, ja se oli pääteltävä tutkimalla laboratoriokirjaa ja tietueita Barbara Bachmannin E. colin geneettisen varaston keskuksen perustamiseksi Yalessa . Eri kantoja on johdettu käsittelemällä E. coli K-12, jossa on aineita, kuten typpeä sinappi, UV-säteily, X-ray jne. Kattava luettelo Escherichia coli K-12-kannan johdannaisia ja niiden yksittäisten rakenne, genotyyppien, fenotyyppiä, plasmidit ja faagitiedot ovat nähtävillä Ecoliwikissa .
B -kanta
Toinen yleinen laboratoriokanta on B -kanta, jonka historia ei ole yhtä suoraviivainen ja Delbrück ja Luria esittivät kannan ensimmäisen kerran E. coli B: ksi vuonna 1942 tutkiessaan bakteriofageja T1 ja T7. Alkuperäinen E. coli B -kanta, joka tunnettiin silloin nimellä Bacillus coli, oli peräisin Félix d'Herelleltä Pariisin Institut Pasteurista noin vuonna 1918, joka tutki bakteriofageja. olla olemassa. D'Herellen kanta siirtyi Bruxellesin Pasteur du Brabant -instituutin johtajalle Jules Bordetille ja hänen oppilaalleen André Gratialle. Ensimmäinen edisti kantaa Ann Kuttnerille ("Dr. Bordetilta saatu Bact. Coli") ja puolestaan Eugène Wollmanille (B. coli Bordet), jonka poika talletti sen vuonna 1963 (CIP 63.70) nimellä "BAM" ( B amerikkalainen), kun taas André Gratia luovutti kannan Rockefellerin tutkijalle Martha Wollsteinille, joka viittaa kantaan " Bacillus colin Brysselin kantaan " vuonna 1921, joka puolestaan välitti sen Jacques Bronfenbrennerille (B. coli PC), joka välitti sen Delbrückille ja Lurialle. Tästä kannasta syntyi useita muita kantoja, kuten REL606 ja BL21.
C -kanta
E. coli C on morfologisesti erilainen kuin muut E. coli -kannat; se on muodoltaan pallomaisempi ja siinä on selkeä jakauma nukleoidilleen.
W -kanta
Selman Waksman eristi W -kannan Rutgersin yliopiston lähellä olevasta maaperästä .
Rooli biotekniikassa
Pitkän laboratoriokulttuurin ja helppokäyttöisyyden vuoksi E. colilla on tärkeä rooli myös nykyaikaisessa biologisessa tekniikassa ja teollisessa mikrobiologiassa . Työ Stanley Norman Cohen ja Herbert Boyer in E. coli, käyttämällä plasmideja ja restriktioentsyymejä luoda rekombinantti-DNA, tuli perusta biotekniikan.
Hyvin monipuoliseksi isäntänä heterologisten proteiinien tuotannossa tutkijat voivat viedä geenejä mikrobeihin plasmidien avulla, mikä mahdollistaa proteiinien massatuotannon teollisissa käymisprosesseissa . On myös kehitetty geneettisiä järjestelmiä, jotka mahdollistavat yhdistelmäproteiinien tuottamisen käyttämällä E. colia . Yksi ensimmäisistä hyödyllisistä rekombinantti -DNA -tekniikan sovelluksista oli E. colin manipulointi ihmisen insuliinin tuottamiseksi . Muokattua E. colia on käytetty rokotteiden kehittämisessä, bioremediaatiossa ja immobilisoitujen entsyymien tuotannossa .
E. colia on käytetty menestyksekkäästi sellaisten proteiinien tuottamiseen, joita aiemmin pidettiin vaikeina tai mahdottomina E. colissa, kuten proteiineja, jotka sisälsivät useita disulfidisidoksia tai jotka vaativat translaation jälkeistä muokkausta vakauden tai toiminnan kannalta. E. colin soluympäristö on normaalisti liian pelkistävä disulfidisidosten muodostumista varten, proteiineja, joissa on disulfidisidoksia, voi siksi erittyä sen periplasmisen tilaan, mutta mutantit, joissa sekä tioredoksiinien että glutationin pelkistyminen on heikentynyt, mahdollistavat myös disulfidisidotut proteiinit voidaan tuottaa E. colin sytoplasmassa . Se on myös käytetty tuottamaan proteiineja, joilla on erilaisia translaation jälkeisiä modifikaatioita, mukaan lukien glykoproteiinit käyttämällä N-kytketyn glykosylaation järjestelmä Campylobacter jejuni muokattu E. coli . Tätä tekniikkaa pyritään parhaillaan laajentamaan monimutkaisten glykosylaatioiden tuottamiseksi.
E. colin ohjelmointia tutkitaan myös monimutkaisten matemaattisten ongelmien, kuten Hamiltonin polkuongelman, ratkaisemiseksi .
Malli organismi
E. coli on usein käytetty malli organismi on mikrobiologian tutkimuksissa. Viljellyt kannat (esim. E. coli K-12) ovat hyvin sopeutuneet laboratorioympäristöön, ja toisin kuin villityypin kannat, ovat menettäneet kykynsä menestyä suolistossa. Monet laboratoriokannat menettävät kykynsä muodostaa biokalvoja . Nämä ominaisuudet suojaavat villityyppisiä kantoja vasta -aineilta ja muilta kemiallisilta hyökkäyksiltä, mutta vaativat suuria energia- ja materiaaliresursseja.
Vuonna 1946 Joshua Lederberg ja Edward Tatum kuvasivat ensin ilmiötä, joka tunnetaan bakteerikonjugaationa käyttäen E. coli -bakteeria mallibakteerina, ja se on edelleen ensisijainen malli konjugaation tutkimiseen. E. coli oli olennainen osa ensimmäisiä kokeita faagigeenin ymmärtämiseksi, ja varhaiset tutkijat, kuten Seymour Benzer, käyttivät E. colia ja faagia T4 ymmärtämään geenirakenteen topografiaa. Ennen Benzerin tutkimusta ei tiedetty, onko geeni lineaarinen rakenne vai onko sillä haarautumismalli.
E. coli oli yksi ensimmäisistä organismeista, jonka genomi sekvensoitiin; tiede julkaisi E. coli K-12: n koko genomin vuonna 1997.
Lenskin pitkän aikavälin evoluutiokokeilu
Richard Lenskin vuonna 1988 aloittamat pitkän aikavälin evoluutiokokeet, joissa käytettiin E. colia, ovat mahdollistaneet suurten evoluutiomuutosten suoran havaitsemisen laboratoriossa. Tässä kokeessa yksi E. coli -populaatio kehitti odottamatta kykyä metaboloida sitraatti aerobisesti . Tämä kapasiteetti on erittäin harvinainen E. colissa . Koska kyvyttömyys kasvaa aerobisesti käytetään tavallisesti diagnostisena kriteerinä, jolla voidaan erottaa E. coli muista läheisesti sukua olevista bakteereista, kuten Salmonella, tämä innovaatio voi merkitä laboratoriossa havaittua spesifikaatiotapahtumaa .
Viitteet