大腸桿菌是一種革蘭氏陰性桿狀細菌，主要存在于人和動物的小腸下部。它是一種兼性厭氧菌，這意味著它可以在有氧的情況下產生能量 (ATP)，并在厭氧條件下轉為發酵。
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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）。實驗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會導致 EPEC 的傳播。它會引起水樣腹瀉、粘液、發燒和嘔吐等癥狀。
腸出血性大腸桿菌（EHEC）
這種致病性大腸桿菌可導致人類患上溶血性尿毒癥綜合征 (HUS) 等嚴重疾病。它們會產生一種名為“志賀”的毒素，會損害腸道和腎臟的內壁。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，但它們不會產生任何毒素。
腸毒素大腸桿菌 (ETEC)
它產生的毒素會破壞腸壁并導致旅行者腹瀉。它產生兩種毒素，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展中國家兒童的急性和慢性腹瀉。它們產生可以破壞腸壁的毒素。EAEC 產生的 3 種主要毒素是質粒編碼毒素 (Pet)、熱穩定毒素和志賀氏菌腸毒素 1 (ShEt1)。
擴散粘附的大腸桿菌 (DAEC)
可引起兒童急性腹瀉。它們通過其擴散的粘附模式來識別，其中細菌幾乎覆蓋整個上皮細胞。
粘附侵入性大腸桿菌 (AIEC)
它與克羅恩病有關。這種致病性大腸桿菌可以通過 Fim H 和細胞粘附分子 6 粘附在腸上皮細胞上。
腸外致病性大腸桿菌
它們會引起嚴重的感染，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)
它會導致新生兒腦膜炎。NMEC可以避開宿主防御機制進入血腦屏障。
膿毒癥相關大腸桿菌 (SPEC)
這種大腸桿菌菌株會導致血液中的嚴重感染（敗血癥），在嚴重的情況下，它會導致死亡。出現了許多耐抗生素的 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進入血液的重要部位，導致敗血癥。造成 APEC 毒力的因素是表面存在粘連（菌毛、菌毛）、對殺菌劑的抗性。
大腸桿菌在 37.4C 左右的溫暖溫度下生長，在實驗室中易于維護。
它是一種簡單的原核生物，具有眾所周知的遺傳學，有助于在大腸桿菌中輕松進行基因操作。
它具有最低和簡單的營養需求。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，因此很容易在培養瓶中生長。
大腸桿菌的倍增時間為20分鐘。它生長得很快，這有助于蛋白質的快速表達。
大腸桿菌中質粒的存在使其成為分子克隆和蛋白質表達的重要工具。質粒是幾乎所有細菌細胞（如大腸桿菌）中都存在的小的雙鏈 DNA 分子。該質粒含有抗生素抗性基因，可作為基因克隆的選擇性標記。它們與細菌 DNA 物理分離，并且可以獨立于細菌 DNA 進行復制。這些質粒可以作為載體（或載體）將我們感興趣的外源 DNA 引入宿主細菌細胞。
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（主要是質粒）中來產生基因的多個拷貝。然后通過稱為轉化的過程將修飾的載體插入感受態宿主細胞。最常用于克隆的大腸桿菌菌株是 XL-1 blue 和 DH5α。隨著細菌宿主細胞的分裂，感興趣的基因也隨之分裂，產生多個外來插入基因的拷貝。分子克隆可用于為 DNA 測序、誘變、蛋白質表達、基因分型等實驗創建多個基因拷貝。
載體是一小段 DNA 分子，可以在宿主生物體（如大腸桿菌）中維持并輕松復制。載體用于在核酸內切酶的幫助下插入感興趣的外源 DNA（或基因）。載體應具有多個克隆位點 (MCS)，以便輕松插入外源 DNA 片段。MCS 是具有許多限制性內切酶位點的短 DNA 序列。克隆載體的一些例子是質粒、粘粒、BAC（細菌人工染色體）、噬菌體等。
這些酶通過破壞多核苷酸鏈內的磷酸二酯鍵將 DNA 切割成兩個片段。他們在特定的核苷酸序列（又稱限制性位點）處切割 DNA。這些酶的作用導致 DNA 片段具有粘性或平端。限制性內切酶的一些例子是 EcoRI、BamHI 和 Hind III。
重組蛋白由重組 DNA 編碼，通過基因工程對其進行操作以大量生產所需的蛋白質。重組蛋白用于生產胰島素、酶、重組激素、溶栓藥物等藥物產品。這種制造重組蛋白的過程稱為重組DNA技術。大腸桿菌已在商業上用作生產您選擇的重組蛋白的工廠。由于較少的世代時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生產的合適宿主。E.coli BL-21 和 E.coli K 12 是商業上用于 RPP（重組蛋白生產）的兩種菌株；然而，
眾所周知，我們的身體需要蛋白質來實現各種功能，例如，消化食物所需的酶在自然界中就是蛋白質。我們知道DNA首先被轉錄成mRNA分子，然后再翻譯成蛋白質。簡而言之，要制造重組蛋白，首先必須形成 rDNA（重組 DNA）。重組 DNA 技術是將來自不同物種的 DNA 結合在一起，產生重組 DNA 的方法，否則通常不會在基因組中發現這種重組 DNA。
在限制性內切酶的幫助下將感興趣的基因引入表達載體。表達載體通常是專為在宿主細胞中表達基因而設計的質粒或病毒。表達載體必須具有復制起點、啟動子結合位點、核糖體結合位點、起始密碼子、終止密碼子、抗生素抗性基因（選擇標記）和多克隆位點 (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載體轉化到感受態宿主細胞（如大腸桿菌BL21）中。轉化可以通過多種方法完成，如電穿孔、熱休克處理等。
一旦表達載體被轉化到宿主細胞中，它不會開始翻譯所需的蛋白質，直到我們誘導它。可以通過添加某些化學物質如 IPTG（異丙基 Bd-1 硫代吡喃半乳糖苷）來實現誘導。它觸發重組 DNA 的轉錄，從而觸發所需重組蛋白的翻譯。
如此形成的重組蛋白質可以通過蛋白質純化方法分離。它是從細胞、組織等的復雜混合物中分離 RPP 的過程。
克隆載體用于將 DNA 片段攜帶到宿主細胞中并復制它。表達載體用于將重組 DNA 表達成蛋白質。
如果你是生物系的學生，你一定聽說過大腸桿菌；它已被用于許多生物技術過程，如分子克隆、蛋白質表達、DNA 儲存、生物燃料生產等。它在 DNA 復制、操縱子系統、遺傳密碼和轉基因等許多獲獎發現中發揮了關鍵作用生物。
我們都知道，接種疫苗是控制傳染病傳播的最有效方法。借助科學新技術，我們可以通過疫苗接種保護自己免受許多傳染病的侵害。已經使用大腸桿菌作為宿主產生了許多疫苗，例如基于病毒樣顆粒 (VLP) 的疫苗。VLP 疫苗能夠在人類中誘導先天性和適應性免疫反應。這些疫苗含有病毒結構蛋白，但不含病毒遺傳物質。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 的針對戊型肝炎病毒的疫苗。
生物修復是通過刺激微生物的生長來處理環境污染物的過程，微生物可以分解有毒污染物并將其轉化為無毒化合物。滅多威是一種用于殺蟲劑的有毒化學物質。在一項研究中觀察到，在含有滅多威的培養基中培養大腸桿菌會顯著導致其降解。后來通過許多研究證實，質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產生的。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生物燃料的能力。大腸桿菌因其基因調控和生長代謝得到充分研究而被用作潛在的生物燃料發生器。在需氧和厭氧條件下，大腸桿菌都可以利用碳源生產生物燃料。基因工程和合成生物學使得產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化生物燃料的生產成為可能。
大腸桿菌基因工程以更好地生產乙醇
生物乙醇是商業上使用最多的生物燃料之一，主要由低纖維素（木質素、半纖維素和纖維素）生產。半纖維素水解后釋放的己糖被某些酵母和細菌通過發酵轉化為乙醇。釀酒酵母然而，它不能將戊糖發酵成乙醇。在這種情況下，大腸桿菌可以用作生物燃料生產商，因為它可以在厭氧條件下發酵戊糖和己糖。大腸桿菌通過在厭氧條件下將1個葡萄糖分子代謝成2分子甲酸、2分子乙酸和1分子乙醇的途徑產生乙醇。Ingram 等人通過插入來自運動發酵單胞菌的 2 個基因 pdc 和 adhB 對大腸桿菌的這種內源性途徑進行了一些改變，以大量生產乙醇。將這 2 個基因引入大腸桿菌中，乙醇產量提高了 95%。
大腸桿菌可用于存儲來自其他生物體（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間。研究人員可以通過在 37°C（腸道溫度）下解凍大腸桿菌細胞，然后用內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基中培養細胞并將它們保存在搖床培養箱中來產生插入的 DNA 片段的多個拷貝。這會導致大腸桿菌細胞快速分裂，從而產生所需插入的 DNA 片段的多個拷貝。
污染現在已成為全球關注的主要問題。我們需要像生物傳感器這樣的新設備，它可以輕松檢測環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周圍任何物理化學變化的設備。這些設備由兩個組件組成，生物和傳感器或檢測器。生物成分可以是任何生物元素，如細胞、生物體、組織等。換能器將分析物與生物成分相互作用產生的信號轉換成物理化學信號（電化學、壓電信號）。研究人員制造了大腸桿菌生物傳感器來檢測 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。擬除蟲菊酯是神經毒素，可導致人類嚴重疾病，如皮膚刺激、惡心、免疫系統抑制，長期接觸擬除蟲菊酯可能導致癌癥。使用全細胞生物傳感器可以很容易地檢測到尿液和血漿中 3-PBA 的存在。它基于競爭性 ELISA，由在其表面顯示抗 -3-PBA 抗體的整個大腸桿菌細胞組成。當這些工程大腸桿菌細胞與 3-PBA 蛋白偶聯物混合時，會發生交聯，這很容易在視覺上檢測到。當將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時，它會與交聯競爭，從而導致產量發生變化。因此，可以很容易地檢測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導致癌癥。使用全細胞生物傳感器可以很容易地檢測到尿液和血漿中 3-PBA 的存在。它基于競爭性 ELISA，由在其表面顯示抗 -3-PBA 抗體的整個大腸桿菌細胞組成。當這些工程大腸桿菌細胞與 3-PBA 蛋白偶聯物混合時，會發生交聯，這很容易在視覺上檢測到。當將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時，它會與交聯競爭，從而導致產量發生變化。因此，可以很容易地檢測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導致癌癥。使用全細胞生物傳感器可以很容易地檢測到尿液和血漿中 3-PBA 的存在。它基于競爭性 ELISA，由在其表面顯示抗 -3-PBA 抗體的整個大腸桿菌細胞組成。當這些工程大腸桿菌細胞與 3-PBA 蛋白偶聯物混合時，會發生交聯，這很容易在視覺上檢測到。當將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時，它會與交聯競爭，從而導致產量發生變化。因此，可以很容易地檢測到人體尿液或血漿樣本中是否存在 3-PBA。大腸桿菌細胞在其表面顯示抗-3-PBA抗體。當這些工程大腸桿菌細胞與 3-PBA 蛋白偶聯物混合時，會發生交聯，這很容易在視覺上檢測到。當將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時，它會與交聯競爭，從而導致產量發生變化。因此，可以很容易地檢測到人體尿液或血漿樣本中是否存在 3-PBA。大腸桿菌細胞在其表面顯示抗-3-PBA抗體。當這些工程大腸桿菌細胞與 3-PBA 蛋白偶聯物混合時，會發生交聯，這很容易在視覺上檢測到。當將含有游離 3-PBA 的樣品添加到該混合物中時，它會與交聯競爭，從而導致產量發生變化。因此，可以很容易地檢測到人體尿液或血漿樣本中是否存在 3-PBA。
