大腸桿菌是一種革蘭氏陰性桿狀細(xì)菌，主要存在于人和動(dòng)物的小腸下部。它是一種兼性厭氧菌，這意味著它可以在有氧的情況下產(chǎn)生能量 (ATP)，并在厭氧條件下轉(zhuǎn)為發(fā)酵。
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大腸桿菌有兩種主要類型，共生（非致病性）和致病性大腸桿菌
大腸桿菌的共生菌株是正常腸道微生物群的一部分。它們可用于消化和控制腸道中其他病原菌的生長。它們還制造維生素 B2（核黃素）和維生素 K2（甲基萘醌）。實(shí)驗(yàn)室常用的一些非致病性大腸桿菌菌株有大腸桿菌K-12、大腸桿菌BL-21、大腸桿菌B。
致病性大腸桿菌進(jìn)一步分為兩類，腸道致病性大腸桿菌和腸外致病性大腸桿菌。
腸道致病（腸道病原體）大腸桿菌
腸道致病性大腸桿菌有 7 種類型，它們都會(huì)引起人類腹瀉樣癥狀。它們可以通過受污染的食物和水傳播。
腸致病性大腸桿菌 (EPEC)
食物或水中的糞便物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致 EPEC 的傳播。它會(huì)引起水樣腹瀉、粘液、發(fā)燒和嘔吐等癥狀。
腸出血性大腸桿菌（EHEC）
這種致病性大腸桿菌可導(dǎo)致人類患上溶血性尿毒癥綜合征 (HUS) 等嚴(yán)重疾病。它們會(huì)產(chǎn)生一種名為“志賀”的毒素，會(huì)損害腸道和腎臟的內(nèi)壁。癥狀可能包括血性腹瀉、嘔吐和腹部絞痛。
腸侵襲性大腸桿菌 (EIEC)
它侵入腸壁并引起高燒腹瀉等癥狀。它們具有高度侵入性并損害腸壁，但它們不會(huì)產(chǎn)生任何毒素。
腸毒素大腸桿菌 (ETEC)
它產(chǎn)生的毒素會(huì)破壞腸壁并導(dǎo)致旅行者腹瀉。它產(chǎn)生兩種毒素，ST（耐熱毒素）和 LT（耐熱毒素）。
腸聚集性大腸桿菌 (EAEC)
這種致病性大腸桿菌可引起發(fā)展中國家兒童的急性和慢性腹瀉。它們產(chǎn)生可以破壞腸壁的毒素。EAEC 產(chǎn)生的 3 種主要毒素是質(zhì)粒編碼毒素 (Pet)、熱穩(wěn)定毒素和志賀氏菌腸毒素 1 (ShEt1)。
擴(kuò)散粘附的大腸桿菌 (DAEC)
可引起兒童急性腹瀉。它們通過其擴(kuò)散的粘附模式來識(shí)別，其中細(xì)菌幾乎覆蓋整個(gè)上皮細(xì)胞。
粘附侵入性大腸桿菌 (AIEC)
它與克羅恩病有關(guān)。這種致病性大腸桿菌可以通過 Fim H 和細(xì)胞粘附分子 6 粘附在腸上皮細(xì)胞上。
腸外致病性大腸桿菌
它們會(huì)引起嚴(yán)重的感染，如尿路感染、敗血癥、肺炎和新生兒腦膜炎。它們主要有四種類型。
新生兒腦膜炎大腸桿菌 (NMEC)
它會(huì)導(dǎo)致新生兒腦膜炎。NMEC可以避開宿主防御機(jī)制進(jìn)入血腦屏障。
膿毒癥相關(guān)大腸桿菌 (SPEC)
這種大腸桿菌菌株會(huì)導(dǎo)致血液中的嚴(yán)重感染（敗血癥），在嚴(yán)重的情況下，它會(huì)導(dǎo)致死亡。出現(xiàn)了許多耐抗生素的 SPEC 菌株，尤其是耐多藥菌株。
泌尿致病性大腸桿菌 (UPEC)
這種大腸桿菌菌株是導(dǎo)致人類 UTI（尿路感染）的原因。它們的表面有菌毛、菌毛和鞭毛，這有助于它們粘附到上皮細(xì)胞上。
禽致病性大腸桿菌（APEC）
這種大腸桿菌菌株可引起雞和其他鳥類物種的多發(fā)性漿膜炎、敗血癥等疾病。研究表明，肺和氣囊之間的空間是APEC進(jìn)入血液的重要部位，導(dǎo)致敗血癥。造成 APEC 毒力的因素是表面存在粘連（菌毛、菌毛）、對(duì)殺菌劑的抗性。
大腸桿菌在 37.4C 左右的溫暖溫度下生長，在實(shí)驗(yàn)室中易于維護(hù)。
它是一種簡單的原核生物，具有眾所周知的遺傳學(xué)，有助于在大腸桿菌中輕松進(jìn)行基因操作。
它具有最低和簡單的營養(yǎng)需求。它的生長需要富含碳、氮和磷的飲食。
作為兼性厭氧菌，它在有氧和無氧條件下都可以很容易地生長，因此很容易在培養(yǎng)瓶中生長。
大腸桿菌的倍增時(shí)間為20分鐘。它生長得很快，這有助于蛋白質(zhì)的快速表達(dá)。
大腸桿菌中質(zhì)粒的存在使其成為分子克隆和蛋白質(zhì)表達(dá)的重要工具。質(zhì)粒是幾乎所有細(xì)菌細(xì)胞（如大腸桿菌）中都存在的小的雙鏈 DNA 分子。該質(zhì)粒含有抗生素抗性基因，可作為基因克隆的選擇性標(biāo)記。它們與細(xì)菌 DNA 物理分離，并且可以獨(dú)立于細(xì)菌 DNA 進(jìn)行復(fù)制。這些質(zhì)粒可以作為載體（或載體）將我們感興趣的外源 DNA 引入宿主細(xì)菌細(xì)胞。
克隆是一種方法，其中通過將感興趣的基因插入合適的載體（主要是質(zhì)粒）中來產(chǎn)生基因的多個(gè)拷貝。然后通過稱為轉(zhuǎn)化的過程將修飾的載體插入感受態(tài)宿主細(xì)胞。最常用于克隆的大腸桿菌菌株是 XL-1 blue 和 DH5α。隨著細(xì)菌宿主細(xì)胞的分裂，感興趣的基因也隨之分裂，產(chǎn)生多個(gè)外來插入基因的拷貝。分子克隆可用于為 DNA 測(cè)序、誘變、蛋白質(zhì)表達(dá)、基因分型等實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建多個(gè)基因拷貝。
載體是一小段 DNA 分子，可以在宿主生物體（如大腸桿菌）中維持并輕松復(fù)制。載體用于在核酸內(nèi)切酶的幫助下插入感興趣的外源 DNA（或基因）。載體應(yīng)具有多個(gè)克隆位點(diǎn) (MCS)，以便輕松插入外源 DNA 片段。MCS 是具有許多限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)的短 DNA 序列。克隆載體的一些例子是質(zhì)粒、粘粒、BAC（細(xì)菌人工染色體）、噬菌體等。
這些酶通過破壞多核苷酸鏈內(nèi)的磷酸二酯鍵將 DNA 切割成兩個(gè)片段。他們?cè)谔囟ǖ暮塑账嵝蛄校ㄓ址Q限制性位點(diǎn)）處切割 DNA。這些酶的作用導(dǎo)致 DNA 片段具有粘性或平端。限制性內(nèi)切酶的一些例子是 EcoRI、BamHI 和 Hind III。
重組蛋白由重組 DNA 編碼，通過基因工程對(duì)其進(jìn)行操作以大量生產(chǎn)所需的蛋白質(zhì)。重組蛋白用于生產(chǎn)胰島素、酶、重組激素、溶栓藥物等藥物產(chǎn)品。這種制造重組蛋白的過程稱為重組DNA技術(shù)。大腸桿菌已在商業(yè)上用作生產(chǎn)您選擇的重組蛋白的工廠。由于較少的世代時(shí)間和大量分裂的能力，大腸桿菌已被用作用于治療用途的非糖基化蛋白質(zhì)生產(chǎn)的合適宿主。E.coli BL-21 和 E.coli K 12 是商業(yè)上用于 RPP（重組蛋白生產(chǎn)）的兩種菌株；然而，
眾所周知，我們的身體需要蛋白質(zhì)來實(shí)現(xiàn)各種功能，例如，消化食物所需的酶在自然界中就是蛋白質(zhì)。我們知道DNA首先被轉(zhuǎn)錄成mRNA分子，然后再翻譯成蛋白質(zhì)。簡而言之，要制造重組蛋白，首先必須形成 rDNA（重組 DNA）。重組 DNA 技術(shù)是將來自不同物種的 DNA 結(jié)合在一起，產(chǎn)生重組 DNA 的方法，否則通常不會(huì)在基因組中發(fā)現(xiàn)這種重組 DNA。
在限制性內(nèi)切酶的幫助下將感興趣的基因引入表達(dá)載體。表達(dá)載體通常是專為在宿主細(xì)胞中表達(dá)基因而設(shè)計(jì)的質(zhì)粒或病毒。表達(dá)載體必須具有復(fù)制起點(diǎn)、啟動(dòng)子結(jié)合位點(diǎn)、核糖體結(jié)合位點(diǎn)、起始密碼子、終止密碼子、抗生素抗性基因（選擇標(biāo)記）和多克隆位點(diǎn) (MCS) 等特征，可以插入感興趣的基因。
然后將含有目的基因的表達(dá)載體轉(zhuǎn)化到感受態(tài)宿主細(xì)胞（如大腸桿菌BL21）中。轉(zhuǎn)化可以通過多種方法完成，如電穿孔、熱休克處理等。
一旦表達(dá)載體被轉(zhuǎn)化到宿主細(xì)胞中，它不會(huì)開始翻譯所需的蛋白質(zhì)，直到我們誘導(dǎo)它。可以通過添加某些化學(xué)物質(zhì)如 IPTG（異丙基 Bd-1 硫代吡喃半乳糖苷）來實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)。它觸發(fā)重組 DNA 的轉(zhuǎn)錄，從而觸發(fā)所需重組蛋白的翻譯。
如此形成的重組蛋白質(zhì)可以通過蛋白質(zhì)純化方法分離。它是從細(xì)胞、組織等的復(fù)雜混合物中分離 RPP 的過程。
克隆載體用于將 DNA 片段攜帶到宿主細(xì)胞中并復(fù)制它。表達(dá)載體用于將重組 DNA 表達(dá)成蛋白質(zhì)。
如果你是生物系的學(xué)生，你一定聽說過大腸桿菌；它已被用于許多生物技術(shù)過程，如分子克隆、蛋白質(zhì)表達(dá)、DNA 儲(chǔ)存、生物燃料生產(chǎn)等。它在 DNA 復(fù)制、操縱子系統(tǒng)、遺傳密碼和轉(zhuǎn)基因等許多獲獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用生物。
我們都知道，接種疫苗是控制傳染病傳播的最有效方法。借助科學(xué)新技術(shù)，我們可以通過疫苗接種保護(hù)自己免受許多傳染病的侵害。已經(jīng)使用大腸桿菌作為宿主產(chǎn)生了許多疫苗，例如基于病毒樣顆粒 (VLP) 的疫苗。VLP 疫苗能夠在人類中誘導(dǎo)先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)。這些疫苗含有病毒結(jié)構(gòu)蛋白，但不含病毒遺傳物質(zhì)。大腸桿菌已被用作這些病毒樣顆粒疫苗的宿主。第一種源自大腸桿菌的病毒疫苗是 Hecolin，它是一種基于重組 VLP 的針對(duì)戊型肝炎病毒的疫苗。
生物修復(fù)是通過刺激微生物的生長來處理環(huán)境污染物的過程，微生物可以分解有毒污染物并將其轉(zhuǎn)化為無毒化合物。滅多威是一種用于殺蟲劑的有毒化學(xué)物質(zhì)。在一項(xiàng)研究中觀察到，在含有滅多威的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌會(huì)顯著導(dǎo)致其降解。后來通過許多研究證實(shí)，質(zhì)粒和大腸桿菌中的基因是造成滅多威降解的原因。
石油成本的增加和自然資源的枯竭促使研究人員探索新的可再生燃料資源。乙醇、沼氣和生物柴油等生物燃料是由微生物活動(dòng)產(chǎn)生的。使用微生物作為生物燃料合成的潛在候選者取決于它們以更快的速度和最低的成本生產(chǎn)生物燃料的能力。大腸桿菌因其基因調(diào)控和生長代謝得到充分研究而被用作潛在的生物燃料發(fā)生器。在需氧和厭氧條件下，大腸桿菌都可以利用碳源生產(chǎn)生物燃料。基因工程和合成生物學(xué)使得產(chǎn)生新的生物合成途徑并將這些途徑整合到大腸桿菌中以優(yōu)化生物燃料的生產(chǎn)成為可能。
大腸桿菌基因工程以更好地生產(chǎn)乙醇
生物乙醇是商業(yè)上使用最多的生物燃料之一，主要由低纖維素（木質(zhì)素、半纖維素和纖維素）生產(chǎn)。半纖維素水解后釋放的己糖被某些酵母和細(xì)菌通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇。釀酒酵母然而，它不能將戊糖發(fā)酵成乙醇。在這種情況下，大腸桿菌可以用作生物燃料生產(chǎn)商，因?yàn)樗梢栽趨捬鯒l件下發(fā)酵戊糖和己糖。大腸桿菌通過在厭氧條件下將1個(gè)葡萄糖分子代謝成2分子甲酸、2分子乙酸和1分子乙醇的途徑產(chǎn)生乙醇。Ingram 等人通過插入來自運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的 2 個(gè)基因 pdc 和 adhB 對(duì)大腸桿菌的這種內(nèi)源性途徑進(jìn)行了一些改變，以大量生產(chǎn)乙醇。將這 2 個(gè)基因引入大腸桿菌中，乙醇產(chǎn)量提高了 95%。
大腸桿菌可用于存儲(chǔ)來自其他生物體（如人類）的 DNA 序列。含有其他生物體 DNA 序列的大腸桿菌可以在低溫冰箱中保存很長時(shí)間。研究人員可以通過在 37°C（腸道溫度）下解凍大腸桿菌細(xì)胞，然后用內(nèi)切核酸酶處理它們來檢索這些 DNA 序列。大腸桿菌還可以通過在液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)細(xì)胞并將它們保存在搖床培養(yǎng)箱中來產(chǎn)生插入的 DNA 片段的多個(gè)拷貝。這會(huì)導(dǎo)致大腸桿菌細(xì)胞快速分裂，從而產(chǎn)生所需插入的 DNA 片段的多個(gè)拷貝。
污染現(xiàn)在已成為全球關(guān)注的主要問題。我們需要像生物傳感器這樣的新設(shè)備，它可以輕松檢測(cè)環(huán)境中有害污染物的存在。生物傳感器是使用生物成分來檢測(cè)周圍任何物理化學(xué)變化的設(shè)備。這些設(shè)備由兩個(gè)組件組成，生物和傳感器或檢測(cè)器。生物成分可以是任何生物元素，如細(xì)胞、生物體、組織等。換能器將分析物與生物成分相互作用產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成物理化學(xué)信號(hào)（電化學(xué)、壓電信號(hào)）。研究人員制造了大腸桿菌生物傳感器來檢測(cè) 3-苯氧基苯甲酸 (3-PBA) 的存在。3-PBA 是擬除蟲菊酯類殺蟲劑的主要代謝物。擬除蟲菊酯是神經(jīng)毒素，可導(dǎo)致人類嚴(yán)重疾病，如皮膚刺激、惡心、免疫系統(tǒng)抑制，長期接觸擬除蟲菊酯可能導(dǎo)致癌癥。使用全細(xì)胞生物傳感器可以很容易地檢測(cè)到尿液和血漿中 3-PBA 的存在。它基于競爭性 ELISA，由在其表面顯示抗 -3-PBA 抗體的整個(gè)大腸桿菌細(xì)胞組成。當(dāng)這些工程大腸桿菌細(xì)胞與 3-PBA 蛋白偶聯(lián)物混合時(shí)，會(huì)發(fā)生交聯(lián)，這很容易在視覺上檢測(cè)到。當(dāng)將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時(shí)，它會(huì)與交聯(lián)競爭，從而導(dǎo)致產(chǎn)量發(fā)生變化。因此，可以很容易地檢測(cè)到人體尿液或血漿樣本中是否存在 3-PBA。長期接觸擬除蟲菊酯可能會(huì)導(dǎo)致癌癥。使用全細(xì)胞生物傳感器可以很容易地檢測(cè)到尿液和血漿中 3-PBA 的存在。它基于競爭性 ELISA，由在其表面顯示抗 -3-PBA 抗體的整個(gè)大腸桿菌細(xì)胞組成。當(dāng)這些工程大腸桿菌細(xì)胞與 3-PBA 蛋白偶聯(lián)物混合時(shí)，會(huì)發(fā)生交聯(lián)，這很容易在視覺上檢測(cè)到。當(dāng)將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時(shí)，它會(huì)與交聯(lián)競爭，從而導(dǎo)致產(chǎn)量發(fā)生變化。因此，可以很容易地檢測(cè)到人體尿液或血漿樣本中是否存在 3-PBA。長期接觸擬除蟲菊酯可能會(huì)導(dǎo)致癌癥。使用全細(xì)胞生物傳感器可以很容易地檢測(cè)到尿液和血漿中 3-PBA 的存在。它基于競爭性 ELISA，由在其表面顯示抗 -3-PBA 抗體的整個(gè)大腸桿菌細(xì)胞組成。當(dāng)這些工程大腸桿菌細(xì)胞與 3-PBA 蛋白偶聯(lián)物混合時(shí)，會(huì)發(fā)生交聯(lián)，這很容易在視覺上檢測(cè)到。當(dāng)將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時(shí)，它會(huì)與交聯(lián)競爭，從而導(dǎo)致產(chǎn)量發(fā)生變化。因此，可以很容易地檢測(cè)到人體尿液或血漿樣本中是否存在 3-PBA。大腸桿菌細(xì)胞在其表面顯示抗-3-PBA抗體。當(dāng)這些工程大腸桿菌細(xì)胞與 3-PBA 蛋白偶聯(lián)物混合時(shí)，會(huì)發(fā)生交聯(lián)，這很容易在視覺上檢測(cè)到。當(dāng)將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時(shí)，它會(huì)與交聯(lián)競爭，從而導(dǎo)致產(chǎn)量發(fā)生變化。因此，可以很容易地檢測(cè)到人體尿液或血漿樣本中是否存在 3-PBA。大腸桿菌細(xì)胞在其表面顯示抗-3-PBA抗體。當(dāng)這些工程大腸桿菌細(xì)胞與 3-PBA 蛋白偶聯(lián)物混合時(shí)，會(huì)發(fā)生交聯(lián)，這很容易在視覺上檢測(cè)到。當(dāng)將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時(shí)，它會(huì)與交聯(lián)競爭，從而導(dǎo)致產(chǎn)量發(fā)生變化。因此，可以很容易地檢測(cè)到人體尿液或血漿樣本中是否存在 3-PBA。
