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之前我们介绍了科研中用得最多的植物和动物,但是大家会不会想到细菌也是我们广泛研究的对象,我们今天要讲的就是用得非常非常广泛的大肠杆菌(E. coli)。先上图:

去年 10 月底开始,美国多个州爆发大肠杆菌食物中毒事件,包括加利福尼亚州在内的 15 个州均有病例报告,部分患者因肾衰竭症状住院治疗。而导致食物中毒的罪魁祸首是被大肠杆菌污染的罗马生菜。

大肠杆菌不是一种稀罕物,它存在于我们每一个人的体内。它是我们肠道中十分重要的正常菌群,能够提供我们自身合成不了的维生素K2。不过,它也有「使坏」的时候:当我们免疫力下降时,它就会成为机会致病菌,有可能引起我们肠道外的感染,比如败血症、泌尿道感染等;另一方面,有个别种类的大肠杆菌是有致病性的,能引起人类肠胃炎,导致腹痛、发热、腹泻等,在儿童中的症状甚至更为严重。不过总体来说,在正常条件下,那些无害种类的大肠杆菌与我们还是一个互惠共生的状态。

翻阅世界卫生组织(WHO)及美国疾病预防和控制中心(CDC)网站,你会发现大肠杆菌是食物中毒事件中的常客,经常污染生菜、即食沙拉及牛肉制品。

早期大肠杆菌电镜图片

本次作恶的 O157:H7 菌株仅仅是大肠杆菌家族中的一个败类,绝大多数时候,大肠杆菌都在兢兢业业地为人类服务。E。 coli的名字登上了三百万篇论文,多次助攻科学家获得诺贝尔奖,一年创造几千亿美元的经济收益。

大肠杆菌是个啥?

大肠杆菌最初由德国儿科医生西奥多埃舍里奇(Theodor Escherich)于 1885 年在健康幼儿的粪便里发现,被命名为Escherichia coli,简称E。 coli。它们生活在温血动物的大肠中,所以大肠杆菌污染就是人、牛、羊等温血动物的粪便污染了食物。

大肠杆菌,顾名思义是一种直杆状、棒状的细菌,它大约长2微米,菌体直径大约0.25至1微米,算是一种中等大小的杆菌了。它同时还是一种兼性厌氧的细菌,也就是说当有氧气存在的时候它可以利用氧气进行呼吸氧化,而当没有氧气的时候它则进行无氧发酵。这一点十分有利于它在肠道这种复杂环境中生存。

大部分的大肠杆菌菌株无害,它和其他兼性厌氧菌占据了肠道菌群的 0.9%,可以说是个小透明。而引发食物中毒的主要是 O157:H7 及 O104:H4,它们会产生志贺毒素(Shiga toxin),破坏血管内皮细胞,造成血状腹泻等肠道出血症状。少数患者并发溶血性尿毒症,可能恶化为急性肾衰竭,甚至死亡。

大肠杆菌对于营养的要求并不高,在我们实验室培养的时候,利用那种最普通的琼脂平板,在37℃进行过夜的培养,就能生长出2-3毫米的灰白色菌落。当然,它在人类肠道中的繁殖会更慢一些。

但你知道吗?这些小小的微型杀手同时也是个一年赚上几千亿美元,并且多次获得诺贝尔奖的明星微生物。大肠杆菌皮实好养活,而且在实验室条件下大约 20 分钟就能扩增一倍,很快成为细菌中的小白鼠。在过去半个世纪中,全世界的科学家用它们做了无数的实验,得到了不少惊人的科学发现。在 Google Scholar 搜索E。 coli,能找到超过三百万篇论文。

大肠杆菌的菌落(www.bacteriainphotos.com)

E.coli

永利皇宫app,为什么叫“大肠杆菌”?

E.coli带来的第一个惊喜就是它们的性生活。一直以来,细菌的繁殖被认为是无性的,通过细胞分裂一分为二,二分为四。但在上世纪 50 年代,爱德华塔特姆(Edward Tatum)和约书亚莱德伯格(Joshua Lederberg)发现了E.coli不为人知的小秘密,原来细菌也有性生活(嘘)。

早在1885年,德国-奥地利籍的儿科医生Theodor Escherich在健康人的粪便中发现了这种细菌,并将其命名为“普通大肠细菌”(Bacterium coli commune),因为它是在结肠(colon)中被发现的。但是后来,为了纪念Theodor Escherich医生的伟大发现,科学家们重新定义并命名了该属为Escherichia,所以大肠杆菌的分类学名字Escherichia coli便是这样来的。

塔特姆和莱德伯格使用化学物质诱导突变的E。 coliK12 菌株丧失了在肠道生存的能力,但能在实验室的条件下生长。接下来他们观察发现,细菌竟然能将遗传物质从一个细菌传到另一个细菌,而且还讲究礼尚往来。带有菌毛(pilus)的细菌同时也带有一个 DNA 质粒(F plasmid),游离于基因组 DNA 之外。这样的细菌会利用菌毛和不带有质粒的细菌连结形成融合通道,DNA 质粒的其中一链经由通道转移至另一个细菌,然后在 DNA 复制酶的作用下合成互补链。最后,接受了 DNA 质粒的细菌也长出菌毛,成为新的质粒供应方。

德国-奥地利籍的儿科医生Theodor Escherich

一开始,人们也只是将大肠杆菌作为一种普通的肠道细菌所看待,谁也没有想到它后来会在基因工程、生物能源、微生物工业以及模式生物研究中取得如此大的贡献。而这一切的开创者归属于两位美国科学家Stanley Norman Cohen和Herbert Boyer。

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