Археи, бактерии

Кишечная палочка

Кише́чная па́лочка (Escherichia coli), вид неспорообразующих палочковидных рода . ; . , и бактерия.

Микроскопия окрашенной по Граму кишечной палочки (Escherichia coli)Микроскопия окрашенной по Граму кишечной палочки (Escherichia coli). Фото: Дарья Климова.Размеры (около 1–6 мкм в длину и 0,35–1,5 мкм в ширину) могут варьироваться в зависимости от и условий культивирования. Клетки кишечной палочки могут быть как подвижными, так и неподвижными.

Кишечная палочка открыта в 1885 г. педиатром (1857–1911). Он проводил исследования мекония новорожденных и кала детей, находящихся на грудном вскармливании, с целью получить представление о развитии кишечной . В препаратах мекония и образцах кала под микроскопом он наблюдал «тонкие короткие палочки» размером 1–5 мкм в длину и 0,3–0,4 мкм в ширину, которые он назвал Bacterium coli commune. Эшерих культивировал эти бактерии на чашках с агаром и и получил неразжижающиеся белые колонии. Позднее, в 1919 г., бактерия была переименована в Escherichia coli в честь её первооткрывателя. Первым полным кишечной палочки была последовательность штамма Escherichia coli K-12 MG1655, опубликованная в 1997 г.

Строение кишечной палочки не отличается от строения большинства грамотрицательных бактерий. состоит из капсулы, , , , , , и .

Схема строения кишечной палочки (Escherichia coli). Видео предоставлено Дарьей Климовой.

Кишечная палочка и эволюционировали вместе, с тех пор как она отделилась от вида Salmonella enterica между 120 и 160 млн лет назад. В результате оптимальные условия для роста кишечной палочки схожи с условиями в млекопитающих. Оптимальный показатель роста кишечной палочки составляет 6,5–7,5, а температура – около 37 °С. Escherichia coli является и .

Кишечная палочка может расти и различные субстраты с или без него. Кислород обеспечивает эффективное производство (аденозинтрифосфата) для . Кишечная палочка метаболизирует семь сахаров: , , , , , и .

Escherichia coli имеет множество подвидов, , которые могут быть как , так и патогенными. Комменсальная кишечная палочка образует сложную на слизистом слое. Она также встречается в кишечном микробиоме , и , а также в почве, воде, растениях и продуктах питания. Бактерии получают оптимальные условия обитания – субстрат и (позволяет образовывать биоплёнку; секретируется в хозяина), а организм хозяина получает пользу за счёт выработки кишечной палочкой К, который важен для свёртывания крови, витамина B12, а также устойчивости кишечника к колонизации патогенными бактериями.

Некоторые сероварианты кишечной палочки могут вызывать инфекции у людей и животных. Тестирование на присутствие кишечной палочки является частью планового эпидемиологического обследования при диагностике заболеваний телят, которые могут передавать этот патоген человеку. От люди чаще всего заражаются серовариантом Escherichia coli O157:H7. Кишечные палочки по вызываемым делятся на энтерогеморрагическую, энтеротоксигенную, энтеропатогенную, энтероагрегативную и энтероинвазивную.

Быстрый рост в определённых средах и изученность строения и функций делает кишечную палочку важным . Escherichia coli  – основной модельный организм в , используемый для решения многих вопросов, например, взаимосвязи между эволюцией и , эволюционной повторяемостью и ролью исторических случайностей в , а также происхождением новых признаков, долгосрочными траекториями приспособленности, влиянием на адаптацию и взаимодействие хищник – жертва.

На основе экспериментов с кишечной палочкой были сделаны многие открытия: расшифрованы генетический код и , идентифицирована , описаны литических и лизогенных бактериальных вирусов (), регуляция и организация , , даны характеристика и изучены персистирующие варианты Escherichia coli, а также выяснены структуры и функции . Часть этих открытий принесли исследователям по биологии, на основе которых была создана генетически модифицированная кишечная палочка.

Несмотря на то что кишечная палочка неспособна расти при экстремальных температурах или , а также разлагать токсичные соединения, загрязнители или трудно разлагаемые полимеры, она широко используется в . Основные причины, по которым кишечная палочка является предпочтительным организмом для биотехнологии, – это относительно дешёвые для её культивирования, промышленная масштабируемость, обширные знания о её геноме, , и .

Плазмидная позволяет исследователям использовать кишечную палочку для производства многих лекарственных веществ, биотоплива и промышленных химикатов. Для конструирования плазмидной рекомбинантной ДНК требуются белки двух видов: ферменты рестрикции, которые разрезают ДНК в определенных местах, и ферменты соединения, называемые , которые склеивают . В процессе производства лекарств хозяина разрезается, плазмида вставляется в разрыв, и лигазы восстанавливают разрез, сделанный рестрикционными ферментами. Схема производства рекомбинантного инсулина с помощью кишечной палочки (Escherichia coli)Схема производства рекомбинантного инсулина с помощью кишечной палочки (Escherichia coli). Иллюстрация: Дарья Климова.При успешном внедрении организм-хозяин будет экспрессировать ген, закодированный на плазмиде.

Плазмидная технология занимает лидирующее место в процессе производства , необходимого для больных .

В клетки кишечной палочки встраивается последовательность, которая кодирует производство инсулина, а также ген, кодирующий устойчивость к определенному . Далее клетки помещают на питательную среду с этим антибиотиком, чтобы выжили только клетки со встроенной плазмидой. На следующем этапе клетки переносят в среду бо́льшего объёма. Этот процесс называют масштабированием, его окончанием служит культивирование в биореакторе (ферментёре). Клетки растут и генерируют множество копий белка-инсулина, который очищают в сепараторе и используют в медицинской практике.

Методом плазмидной технологии с помощью кишечной палочки были созданы следующие рекомбинантные лекарственные средства: рекомбинантные терапевтические белки, включая (для лечения ), (для лечения ), (для лечения ), (для лечения нарушения , низкорослости и атрофии мышц), факторы свёртывания крови человека (для лечения ), (для лечения ), (для лечения ) и (для лечения ).

Escherichia coli является наиболее широко используемой бактерией для производства как растворимых, так и мембранных белков. Из 100 рекомбинантных белковых продуктов на рынках США и Европы 34 % экспрессируются в кишечной палочке. Она используется для производства биотоплива и промышленных химикатов, таких как , , и многих других. Кишечная палочка производит компонент вакцины против COVID-19.

В лабораторной практике были созданы новые кишечной палочки, которые превосходят , являющиеся природными продуцентами. Например, кишечная палочка была модифицирована для промышленного производства , которые традиционно производились из природного продуцента бактерии вида . В тех случаях, когда не существует природных продуцентов, кишечная палочка – один из лучших заменителей в метаболической инженерии.

Несколько штаммов кишечной палочки были признаны хорошими и эффективными и теперь применяются при разработке лекарств. Пробиотические бактерии действуют различными способами, включая модуляцию иммунной функции, производство органических кислот и антимикробных соединений, взаимодействие с резидентной микробиотой, взаимодействие с хозяином, улучшение целостности кишечного барьера и образование ферментов. Пробиотическая кишечная палочка используется при различных заболеваниях человека, включая кишечные заболевания и . Колонизация кишечника новорождённых кишечной палочкой приводит к снижению частоты развития , заболеваемости и смертности.

Помимо здравоохранения, микроорганизм был использован для расщепления не подлежащего вторичной переработке в , используемый в пищевой индустрии. В военной промышленности кишечные палочки также нашли свое применение – их модифицировали, чтобы они светились при контакте с тротилом, химическим следом наземных мин. С помощью светящихся организмов саперы могут обнаружить взрывчатые вещества и в конечном итоге обезвредить их.

  • Грамотрицательные бактерии
  • Палочковидные бактерии
  • Перитрихи
  • Факультативно-анаэробные бактерии