Escherichia coli i molekylärbiologi - Escherichia coli in molecular biology
Escherichia coli ( / ˌ ɛ ʃ ɪ r ɪ k jag ə k oʊ l aɪ / ; vanligen förkortat E. coli ) är engramnegativ gammaproteobacteriumvanligt förekommande i den nedretarmenhosvarmblodigaorganismer (endotermer). Ättlingarna till två isolat, K-12 och B-stammen, används rutinmässigt i molekylärbiologi som både ett verktyg och en modellorganism.
Mångfald
Escherichia coli är en av de mest olika bakteriearterna, med flera patogena stammar med olika symptom och med bara 20% av genomet som är gemensamt för alla stammar. Från evolutionär synvinkel är medlemmarna av släktet Shigella ( dysenteriae, flexneri, boydii, sonnei ) faktiskt E. coli -stammar "i förklädnad" (dvs E. coli är parafyletiskt för släktet).
Historia
År 1885 upptäckte Theodor Escherich, en tysk barnläkare, först denna art i avföring hos friska individer och kallade den Bacterium coli commune eftersom den finns i tjocktarmen och tidiga klassificeringar av prokaryoter placerade dessa i en handfull släkten baserat på deras form och rörlighet (vid den tiden var Ernst Haeckels klassificering av bakterier i kungariket Monera på plats).
Efter en översyn av Bacteria omklassificerades det till Bacillus coli av Migula 1895 och senare omklassificerades till Escherichia coli .
På grund av dess lätta kultur och snabba fördubbling användes den i de tidiga mikrobiologiska experimenten; bakterier ansågs emellertid primitiva och pre-cellulära och fick liten uppmärksamhet före 1944, då Avery, Macleod och McCarty visade att DNA var det genetiska materialet med Salmonella typhimurium, varefter Escherichia coli användes för kopplingskartläggningsstudier.
Stammar
Fyra av de många E. coli- stammarna (K-12, B, C och W) betraktas som modellorganismstammar. Dessa klassificeras i riskgrupp 1 i riktlinjer för biosäkerhet.
Escherichs isolat
Det första isolatet av Escherich deponerades i NCTC 1920 av Lister Institute i London ( NCTC 86 [1] ).
K-12
En stam isolerades från ett avföringsprov av en patient som konvaleserades från difteri och märktes K-12 (inte ett antigen) 1922 vid Stanford University. Detta isolat användes på 1940 -talet av Charles E. Clifton för att studera kvävemetabolism, som deponerade det i ATCC (stam ATCC 10798 ) och lånade det till Edward Tatum för hans tryptofanbiosyntesförsök, trots dess särart på grund av F+ λ+ fenotypen. Under gångerna förlorade den sitt O -antigen och 1953 botades först av sin lambda -fag ( stam W1485 av UV av Joshua Lederberg och kollegor) och sedan 1985 av F -plasmiden genom härdning av akridinorange. Stammar som härrör från MG1655 inkluderar DH1, moder till DH5α och i sin tur DH10B (ommärkt som TOP10 av Invitrogen). En alternativ släktlinje från W1485 är W2637 (som innehåller en inversion rrnD-rrnE), vilket i sin tur resulterade i W3110. På grund av avsaknaden av specifikt journalföring var "stamtavlan" av stammar inte tillgänglig och måste utläsas genom att konsultera lab-bok och register för att starta E. coli Genetic Stock Center på Yale av Barbara Bachmann . De olika stammarna har härletts genom behandling av E. coli K-12 med medel som kväve senap, ultraviolett strålning, röntgen etc. En omfattande lista över Escherichia coli K-12 stamderivat och deras individuella konstruktion, genotyper, fenotyper, plasmider och faginformation kan ses på Ecoliwiki .
B -stam
En andra vanlig laboratoriestam är B -stammen, vars historia är mindre okomplicerad och den första namngivningen av stammen som E. coli B var av Delbrück och Luria 1942 i deras studie av bakteriofager T1 och T7. Den ursprungliga E. coli B -stammen, då känd som Bacillus coli, härstammar från Félix d'Herelle från Institut Pasteur i Paris omkring 1918 som studerade bakteriofager, som hävdade att den härstammar från samlingen av Institut Pasteur, men inga stammar från den perioden existera. Stammen d'Herelle överfördes till Jules Bordet, direktör för Institut Pasteur du Brabant i Bruxelles och hans student André Gratia. Den förra överförde stammen till Ann Kuttner ("Bact. Coli erhållen från Dr. Bordet") och i sin tur till Eugène Wollman (B. coli Bordet), vars son deponerade den 1963 (CIP 63.70) som "stam BAM" ( B American), medan André Gratia överlämnade stammen till Martha Wollstein, forskare vid Rockefeller, som hänvisar till stammen som "Bryssel stam av Bacillus coli " 1921, som i sin tur överlämnade den till Jacques Bronfenbrenner (B. coli PC), som skickade den till Delbrück och Luria. Denna stam gav upphov till flera andra stammar, såsom REL606 och BL21.
C -stam
E. coli C skiljer sig morfologiskt från andra E. coli -stammar; den är mer sfärisk i formen och har en distinkt fördelning av sin nukleoid.
W -stam
W -stammen isolerades från jorden nära Rutgers University av Selman Waksman .
Roll inom bioteknik
På grund av sin långa historia av laboratoriekultur och enkel manipulation spelar E. coli också en viktig roll inom modern biologisk teknik och industriell mikrobiologi . Stanley Norman Cohens och Herbert Boyers arbete i E. coli, med hjälp av plasmider och restriktionsenzymer för att skapa rekombinant DNA, blev en grund för bioteknik.
Betraktas som en mycket mångsidig värd för produktion av heterologa proteiner, kan forskare introducera gener i mikroberna med hjälp av plasmider, vilket möjliggör massproduktion av proteiner i industriella jäsningsprocesser . Genetiska system har också utvecklats som möjliggör produktion av rekombinanta proteiner med hjälp av E. coli . En av de första användbara tillämpningarna av rekombinant DNA -teknik var manipulation av E. coli för att producera humant insulin . Modifierad E. coli har använts vid vaccinutveckling, bioremediering och produktion av immobiliserade enzymer .
E. coli har framgångsrikt använts för att producera proteiner som tidigare ansågs svåra eller omöjliga i E. coli, såsom de som innehåller multipla disulfidbindningar eller de som kräver posttranslationell modifiering för stabilitet eller funktion. Cellmiljön hos E. coli är normalt för reducerande för att disulfidbindningar kan bildas, proteiner med disulfidbindningar kan därför utsöndras till dess periplasmatiska utrymme, men mutanter där minskningen av både tioredoxiner och glutation försämras kan också tillåta disulfidbundna proteiner att produceras i cytoplasman av E. coli . Det har också använts för att producera proteiner med olika posttranslationella modifieringar, inklusive glykoproteiner med hjälp av det N-länkade glykosyleringssystemet för Campylobacter jejuni konstruerat till E. coli . För närvarande pågår ansträngningar för att utöka denna teknik för att producera komplexa glykosyleringar.
Studier utförs också för att programmera E. coli för att potentiellt lösa komplicerade matematiska problem som det Hamiltonian path -problemet .
Modellorganism
E. coli används ofta som modellorganism i mikrobiologiska studier. Odlade stammar (t.ex. E. coli K-12) är väl anpassade till laboratoriemiljön och har, till skillnad från vildtypsstammar, förlorat sin förmåga att trivas i tarmen. Många laboratoriestammar förlorar sin förmåga att bilda biofilmer . Dessa funktioner skyddar vildtypsstammar från antikroppar och andra kemiska attacker, men kräver stora energi- och materialresurser.
År 1946 beskrev Joshua Lederberg och Edward Tatum först fenomenet som kallas bakteriell konjugering med E. coli som en modellbakterie, och det är fortfarande en primär modell för att studera konjugering. E. coli var en integrerad del av de första experimenten för att förstå faggenetik, och tidiga forskare, som Seymour Benzer, använde E. coli och fag T4 för att förstå genstrukturens topografi. Innan Benzers forskning var det inte känt om genen var en linjär struktur eller om den hade ett förgreningsmönster.
E. coli var en av de första organismerna som fick sitt genom att sekvensera; hela genomet för E. coli K-12 publicerades av Science 1997.
Lenskis långsiktiga evolutionsexperiment
De långsiktiga evolutionsexperimenten med E. coli, som började av Richard Lenski 1988, har möjliggjort direkt observation av stora evolutionära förändringar i laboratoriet. I detta experiment utvecklade en population av E. coli oväntat förmågan att aerobt metabolisera citrat . Denna kapacitet är extremt sällsynt i E. coli . Eftersom oförmågan att växa aerobt normalt används som ett diagnostiskt kriterium för att skilja E. coli från andra, närbesläktade bakterier som Salmonella, kan denna innovation markera en speciationshändelse som observerats i laboratoriet.
Referenser