之前我們介紹了科研中用得最多的植物和動(dòng)物，但是大家會(huì)不會(huì)想到細(xì)菌也是我們廣泛研究的對(duì)象度迂，我們今天要講的就是用得非常非常廣泛的大腸桿菌（E. coli）藤乙。先上圖：
大腸桿菌不是一種稀罕物，它存在于我們每一個(gè)人的體內(nèi)惭墓。它是我們腸道中十分重要的正常菌群坛梁，能夠提供我們自身合成不了的維生素K2。不過(guò)腊凶，它也有「使壞」的時(shí)候：當(dāng)我們免疫力下降時(shí)划咐，它就會(huì)成為機(jī)會(huì)致病菌，有可能引起我們腸道外的感染钧萍，比如敗血癥褐缠、泌尿道感染等；另一方面风瘦，有個(gè)別種類(lèi)的大腸桿菌是有致病性的队魏，能引起人類(lèi)腸胃炎，導(dǎo)致腹痛万搔、發(fā)熱器躏、腹瀉等，在兒童中的癥狀甚至更為嚴(yán)重蟹略。不過(guò)總體來(lái)說(shuō)登失，在正常條件下，那些無(wú)害種類(lèi)的大腸桿菌與我們還是一個(gè)互惠共生的狀態(tài)挖炬。
大腸桿菌是個(gè)啥揽浙？
大腸桿菌，顧名思義是一種直桿狀、棒狀的細(xì)菌馅巷，它大約長(zhǎng)2微米膛虫，菌體直徑大約0.25至1微米，算是一種中等大小的桿菌了钓猬。它同時(shí)還是一種兼性厭氧的細(xì)菌稍刀，也就是說(shuō)當(dāng)有氧氣存在的時(shí)候它可以利用氧氣進(jìn)行呼吸氧化，而當(dāng)沒(méi)有氧氣的時(shí)候它則進(jìn)行無(wú)氧發(fā)酵敞曹。這一點(diǎn)十分有利于它在腸道這種復(fù)雜環(huán)境中生存账月。
大腸桿菌對(duì)于營(yíng)養(yǎng)的要求并不高，在我們實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的時(shí)候澳迫，利用那種最普通的瓊脂平板局齿，在37℃進(jìn)行過(guò)夜的培養(yǎng)，就能生長(zhǎng)出2-3毫米的灰白色菌落橄登。當(dāng)然抓歼，它在人類(lèi)腸道中的繁殖會(huì)更慢一些。
為什么叫“大腸桿菌”拢锹？
早在1885年谣妻，德國(guó)-奧地利籍的兒科醫(yī)生Theodor Escherich在健康人的糞便中發(fā)現(xiàn)了這種細(xì)菌，并將其命名為“普通大腸細(xì)菌”（Bacterium coli commune）卒稳，因?yàn)樗窃诮Y(jié)腸（colon）中被發(fā)現(xiàn)的拌禾。但是后來(lái)，為了紀(jì)念Theodor Escherich醫(yī)生的偉大發(fā)現(xiàn)展哭，科學(xué)家們重新定義并命名了該屬為Escherichia，所以大腸桿菌的分類(lèi)學(xué)名字Escherichia coli便是這樣來(lái)的闻蛀。
一開(kāi)始匪傍，人們也只是將大腸桿菌作為一種普通的腸道細(xì)菌所看待，誰(shuí)也沒(méi)有想到它后來(lái)會(huì)在基因工程觉痛、生物能源役衡、微生物工業(yè)以及模式生物研究中取得如此大的貢獻(xiàn)。而這一切的開(kāi)創(chuàng)者歸屬于兩位美國(guó)科學(xué)家Stanley Norman Cohen和Herbert Boyer薪棒。
在講兩位科學(xué)家和大腸桿菌結(jié)緣的故事之前手蝎，有必要先跟大家講解一下「質(zhì)粒」俐芯。我們都知道棵介，細(xì)菌作為原核生物，是沒(méi)有細(xì)胞核的吧史，它的基因組DNA是一團(tuán)單一的密閉環(huán)形DNA邮辽，上面含有的都是細(xì)菌生長(zhǎng)必不可少的基因。然而質(zhì)粒則不同，盡管都是環(huán)形DNA吨述，但是質(zhì)粒是細(xì)菌染色體之外的遺傳物質(zhì)岩睁，存在于細(xì)胞質(zhì)中。質(zhì)粒上面含有的基因多是編碼像菌毛揣云、毒素及耐藥性的產(chǎn)生等捕儒，因此并不是細(xì)菌生長(zhǎng)所必要的，它所體現(xiàn)的更多是一種「加成」的作用邓夕。
Cohen當(dāng)時(shí)正在研究細(xì)菌的質(zhì)粒刘莹，而B(niǎo)oyer則對(duì)大腸桿菌中的一種限制性內(nèi)切酶十分感興趣，這種酶可以識(shí)別特定的核苷酸序列翎迁，從而將核苷酸鏈從中間切斷栋猖。他們兩個(gè)人進(jìn)行了合作，利用限制性內(nèi)切酶重新組裝了一個(gè)質(zhì)粒汪榔，并將這個(gè)質(zhì)粒導(dǎo)入到了大腸桿菌中并成功表達(dá)了出來(lái)蒲拉。1973年，他們把這一結(jié)果匯總成論文進(jìn)行發(fā)表痴腌，也由此宣告了基因工程時(shí)代的來(lái)臨雌团。
與我們有什么關(guān)系？
大家可能會(huì)覺(jué)得基因工程不過(guò)是科研上的事士聪，與普通人的生活并沒(méi)有太大的聯(lián)系锦援。事實(shí)上并不是。你可以想象嗎剥悟？它們就像是一個(gè)個(gè)小型的「生物工廠」灵寺，現(xiàn)代社會(huì)我們使用的醫(yī)用人胰島素、人干擾素区岗、乙肝疫苗以及多種藥物等略板，絕大多數(shù)或者相當(dāng)部分都是由大腸桿菌表達(dá)我們特定的外源基因而生產(chǎn)出來(lái)的，大大降低了這些物質(zhì)原本生產(chǎn)的成本慈缔，也為醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)叮称。
除了基因工程之外，大腸桿菌作為模式生物在細(xì)菌生理及行為的研究上也有著不可代替的作用藐鹤。實(shí)驗(yàn)室中最常用到的是大腸桿菌的K12品系瓤檐，在1997年的時(shí)候，科學(xué)家們就已經(jīng)完成了對(duì)K12品系的全基因組測(cè)序娱节。這一品系與正常的野生型大腸桿菌品系相比挠蛉，已經(jīng)失去了在腸道中生存的能力，但是卻十分適合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境繁殖肄满。最經(jīng)典的是美國(guó)科學(xué)家Joshua Lederberg和Edward Tatum利用大腸桿菌K12碌秸，發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌特有的接合現(xiàn)象绍移。
這有點(diǎn)類(lèi)似于有性生殖生物中的性別，其中含有F因子（一種可以表達(dá)性菌毛的質(zhì)粒）的可以類(lèi)比為「雄性菌」讥电，沒(méi)有F因子的可以類(lèi)比為「雌性菌」蹂窖。「雄性菌」可以通過(guò)其上的性菌毛與「雌性菌」發(fā)生短暫的接合作用恩敌，這一短暫的接合當(dāng)中瞬测，「雄性菌」會(huì)把這個(gè)F因子的質(zhì)粒復(fù)制并轉(zhuǎn)移給「雌性菌」，從而使之也變成「雄性菌」纠炮。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也為我們進(jìn)行不同菌種之間的遺傳物質(zhì)交流等分子生物學(xué)及微生物遺傳學(xué)的研究月趟，提供了一個(gè)非常好的方法。
最后恢口，再為大家介紹一下大腸桿菌在生物能源方面的應(yīng)用孝宗。傳統(tǒng)能源比如說(shuō)像石油、煤炭等總會(huì)有用盡的一天耕肩，而對(duì)于發(fā)展它們的替代能源因妇，科學(xué)家們也做了不少的研究。而在生物能源方面猿诸，大腸桿菌無(wú)疑是一個(gè)有重要戲份的角色婚被。比如說(shuō)Hiroyasu Yamamoto等在2011年通過(guò)基因改造，成功使大腸桿菌將植物中的糖轉(zhuǎn)化為與傳統(tǒng)柴油幾乎一樣的碳?xì)浠衔锸崴洌麄兎Q(chēng)之為「生物柴油」址芯；還有的團(tuán)隊(duì)，比如說(shuō)Pauli Kallio等科學(xué)家在2014年也同樣通過(guò)基因改造窜觉，使得大腸桿菌可以生產(chǎn)出丙烷谷炸，丙烷作為一種清潔能源，市場(chǎng)也十分的廣泛……
關(guān)于大腸桿菌的研究還有很多很多禀挫，誰(shuí)也沒(méi)有想到這個(gè)原本只待在我們腸道里的小家伙旬陡，如今已經(jīng)深度融入到了無(wú)論是醫(yī)學(xué)科研還是日常的生活及工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)然了特咆，這或許也是它與人類(lèi)之間的另一種方式的「互惠共生」。
