Кишечная палочка
Кише́чная па́лочка (Escherichia coli), вид грамотрицательных неспорообразующих палочковидных бактерий рода эшерихии. Перитрихи; факультативные анаэробы. Мезофильная, каталазоположительная и оксидазоотрицательная бактерия.
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 штамма и условий культивирования. Клетки кишечной палочки могут быть как подвижными, так и неподвижными.
Кишечная палочка открыта в 1885 г. педиатром Т. Эшерихом (1857–1911). Он проводил исследования мекония новорожденных и кала детей, находящихся на грудном вскармливании, с целью получить представление о развитии кишечной микробиоты. 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 сывороткой крови и получил неразжижающиеся белые колонии. Позднее, в 1919 г., бактерия была переименована в Escherichia coli в честь её первооткрывателя. Первым полным сиквенсом кишечной палочки была последовательность штамма Escherichia coli K-12 MG1655, опубликованная в 1997 г.
Строение кишечной палочки не отличается от строения большинства грамотрицательных бактерий. Клетка состоит из капсулы, клеточной стенки, цитоплазмы, нуклеоида, плазмид, рибосом, жгутиков и ворсинок.
Кишечная палочка и млекопитающие 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 толстой кишке млекопитающих. Оптимальный показатель pH роста кишечной палочки составляет 6,5–7,5, а температура – около 37 °С. Escherichia coli является мезофилом и факультативным термофилом.
Кишечная палочка может расти и метаболизировать различные субстраты с кислородом или без него. Кислород обеспечивает эффективное производство АТФ (аденозинтрифосфата) для окислительного фосфорилирования. Кишечная палочка метаболизирует семь сахаров: глюкозу, лактозу, арабинозу, ксилозу, D-сорбитол, L-рамнозу и D-рибозу.
Escherichia coli имеет множество подвидов, серовариантов, которые могут быть как комменсальными, так и патогенными. Комменсальная кишечная палочка образует сложную биоплёнку на слизистом слое. Она также встречается в кишечном микробиоме птиц, рептилий и рыб, а также в почве, воде, растениях и продуктах питания. Бактерии получают оптимальные условия обитания – субстрат и иммуноглобулин А (позволяет образовывать биоплёнку; секретируется в кишечнике хозяина), а организм хозяина получает пользу за счёт выработки кишечной палочкой витамина 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 крупного рогатого скота люди чаще всего заражаются серовариантом Escherichia coli O157:H7. Кишечные палочки по вызываемым инфекциям делятся на энтерогеморрагическую, энтеротоксигенную, энтеропатогенную, энтероагрегативную и энтероинвазивную.
Быстрый рост в определённых средах и изученность строения и функций делает кишечную палочку важным модельным организмом. Escherichia coli – основной модельный организм в экспериментальной эволюции, используемый для решения многих вопросов, например, взаимосвязи между эволюцией генома и адаптацией, эволюционной повторяемостью и ролью исторических случайностей в эволюции, а также происхождением новых признаков, долгосрочными траекториями приспособленности, влиянием рекомбинации половых хромосом на адаптацию и взаимодействие хищник – жертва.
На основе экспериментов с кишечной палочкой были сделаны многие открытия: расшифрованы генетический код и репликация ДНК, идентифицирована транскрипция, описаны жизненный цикл литических и лизогенных бактериальных вирусов (фага лямбда), регуляция и организация генов, ферменты рестрикции, даны характеристика и изучены персистирующие варианты Escherichia coli, а также выяснены структуры и функции АТФ-синтазы. Часть этих открытий принесли исследователям Нобелевские премии по биологии, на основе которых была создана генетически модифицированная кишечная палочка.
Несмотря на то что кишечная палочка неспособна расти при экстремальных температурах или показателях pH, а также разлагать токсичные соединения, загрязнители или трудно разлагаемые полимеры, она широко используется в биотехнологии. Основные причины, по которым кишечная палочка является предпочтительным организмом для биотехнологии, – это относительно дешёвые питательные среды для её культивирования, промышленная масштабируемость, обширные знания о её геноме, транскриптоме, протеоме и метаболоме.
Плазмидная рекомбинантная ДНК 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 лигазами, которые склеивают плазмиду. В процессе производства лекарств ДНК хозяина разрезается, плазмида вставляется в разрыв, и лигазы восстанавливают разрез, сделанный рестрикционными ферментами. 
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 инсулина, необходимого для больных диабетом.
В клетки кишечной палочки встраивается последовательность, которая кодирует производство инсулина, а также ген, кодирующий устойчивость к определенному антибиотику. 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 интерлейкин-2 (для лечения метастатической меланомы), человеческий интерферон-β (для лечения рассеянного склероза), эритропоэтин (для лечения анемии), гормон роста человека (для лечения нарушения гипофиза, низкорослости и атрофии мышц), факторы свёртывания крови человека (для лечения гемофилии), пеглотиказа (для лечения подагры), таксол (для лечения онкологических заболеваний) и цертолизумаб (для лечения болезни Крона).
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 фенол, этанол, маннит и многих других. Кишечная палочка производит компонент мРНК вакцины против COVID-19.
В лабораторной практике были созданы новые фенотипы кишечной палочки, которые превосходят микроорганизмы, являющиеся природными продуцентами. Например, кишечная палочка была модифицирована для промышленного производства аминокислот, которые традиционно производились из природного продуцента бактерии вида Corynebacterium glutamicum. 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 пробиотиками 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 диарею. Колонизация кишечника новорождённых кишечной палочкой приводит к снижению частоты развития аллергических реакций, заболеваемости и смертности.
Помимо здравоохранения, микроорганизм был использован для расщепления не подлежащего вторичной переработке полиэтилентерефталата в ванилин, 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.