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云开体育官方app下载-大肠杆菌: “天选打工人”埃舍里希的成名之路

2023-05-21

“E字一族”的发源 特奥多尔·埃舍里希(Theodor Escherich),19世纪的卓异医师兼科学家,作为最早摸索微生物的科学家之一,创建了肠道病理学范畴,将本身的名字与年夜肠杆菌的名字(Escherichia coli)联系在了一路——在1885年发现并定名了年夜肠杆菌。自此,“E.coli一族”便被付与了“天选打工仔”的宿命。 2.png 特奥多尔·埃舍里希(Theodor Escherich,1857-1911),图/wikipedia 1885年,埃舍里希在测验考试找出霍乱病原时,无意平分离出了年夜肠杆菌;138年后的今天,“E.coli一族”已然有了数目重大的家族成员。整体而言,今天尝试室经常使用的年夜肠杆菌来自两个零丁的分手株,即K-12菌株和B菌株。 K-12菌株在1922年从一位白喉患者的粪便平分离出来,并在1925年收藏在斯坦福年夜学细菌学和尝试病理学系的菌种库中;尝试室常见菌株MG1655(野生型K-12菌株)和其衍生菌株DH5α和DH10B(也称为TOP10)都是K-12家族成员。 B菌株的汗青比力复杂,它极可能在1918年就被分手出来,但直到1942年才初次被称为“B菌株”。BL21菌株和其衍生菌株,如BL21(DE3)是年夜肠杆菌B菌株最多见的“徒子徒孙”。那末问题来了,K-12和B菌株这两个“打工仔”在尝试室有哪些分歧用处呢? 细菌只有两种,一种是年夜肠杆菌,另外一种不是 “细菌只有两种,这是环球公认的真谛。一种是年夜肠杆菌,另外一种不是。年夜肠杆菌所做的任何工作都是关在细菌的遍及真谛。”J. Allan Downie和J. Peter W. Young在Nature中绝不讳言地写道。 1940年月,因为年夜肠杆菌在很多根本研究中的凸起表示,见义勇为地成为首选的模式生物(生物学家经由过程对选定的生物物种进行科学研究,用在揭露某种具有遍及纪律的生命现象,这类被选定的生物物种就是模式生物。如:豌豆、果蝇、小鼠等);如许的研究高潮在1950年月份子生物学革命最先时迎来了井喷式成长。成果不言而喻,它成了生命根基理论(包罗遗传暗码、转录、翻译和复制等)最早获得冲破的生物,无数的诺贝尔奖被打上了年夜肠杆菌的烙印。 由此发生的常识和用在把持其基因的份子生物学方式已使年夜肠杆菌在基因工程、药物出产和尝试室微生物进化方面年夜放异彩。绝不夸大地说,年夜肠杆菌此刻是生物学研究中最主要的模式生物之一。所有的偶尔背后都是必定在驱动,为何是年夜肠杆菌?为何科学家不谋而合地选择年夜肠杆菌? 诺贝尔奖得主、法国科学家贾克·莫诺(Jacques Monod)曾说过,“合用在年夜肠杆菌的环境也合用在年夜象”。虽然他的陈说可能有些夸大,但这或许是对我们理解年夜肠杆菌对生命科学的进献的最好归纳综合。所有生物体都以类似的体例运作,不管是细菌仍是年夜象。分歧在在,人类和其他高档生物凡是由数万亿个协同工作的细胞构成,而年夜肠杆菌属在单细胞生物。是以,在年夜肠杆菌中可以更便利地研究在人类或动物中不容易操作的生物进程。 之所以科学家们常常将年夜肠杆菌称为“模式生物”,就是由于它供给了一个易在研究的生物进程模子,而鞭策这些生物进程产生的底子份子根本是生物体所共有的。同时,比拟在其他模式生物而言,年夜肠杆菌发展速度快、培育本钱低,不但吃的少,活干得还多,这不当妥的“天选打工人”。 别的,年夜肠杆菌已被用作模式生物60多年,遗传信息清楚,使得科学家可以为所欲为地对基因进行把持(删除,替代,突变,整合)。 合成生物学与年夜肠杆菌 20世纪70年月成长起来的重组DNA手艺,打开了基在年夜肠杆菌的份子生物学研究的年夜门。 2000年,第一个遗传切换开关和合成振荡收集在年夜肠杆菌中成功构建,这也宣布了一门新兴学科——合成生物学的降生。 合成生物学是将生物学与化学、数学、计较机科学和工程学相连系的多学科研究范畴,利用工程道理作为生物学研究的指点方针,偏重在经由过程点窜、设计和从头构建生物系统工程。合成生物学的降生加倍夯实了年夜肠杆菌这个“究极打工仔”的地位。跟着时候的不竭推动,愈来愈多地具有更高复杂性、稳健性和切确性的合成生物学元件被开辟出来。 2016年,Nielsen等人发布了Cello,这是一种用在在年夜肠杆菌中构建逻辑电路的端到端计较机辅助设计系统,成功实现了合成生物学创建之初立下的“Flag”——尺度化、表征和主动化设计。 2013年,CRISPR-Cas(成簇的法则距离短回文反复序列与相干卵白)家族的陆续问世和随之降生的革命性的基因组编纂手艺更是将合成生物学推向了飞腾,极年夜地增进了基因线路的设计,让合成生物学真正做到了“造物致知”和“造物致用”。 “打工人”也有“下班”的一天 高度合适基因操作、多样的遗传操作东西和周全的基因组信息等主要特点让年夜肠杆菌被普遍用作模式生物系统,用在遗传零件组装、调理基因表达、通路构建和工业主要产物的生物制造。 但“巧妇难为无米之炊”,年夜肠杆菌的利用路子是有限的,它其实不合用在所有生物进程的研究和化学物资的出产,例如作为原核生物,贫乏响应的翻译后润色让其在表达真核生物的卵白质时有时会有些“力有未逮”。并且,科学研究已从简单的基因突变成长到插入公道设计的复杂合成电路和构建全合成基因组,年夜肠杆菌不再是日趋复杂的遗传设计的最好宿主,换言之,“天选打工人”在本身其实不善于的范畴,也将面对“退休”的一天。 “我们利用年夜肠杆菌只是由于我们最领会它。”哈佛遗传学家Henry Lee说。他与George Church合作发现了需钠弧菌(Vibrio natriegens),一种在最适情况下仅需要10分钟便可以完成一倍扩增的细菌(年夜肠杆菌约需要20分钟)。Lee在基因组研究的学术生活生计中,经常由于养菌进程漫长而懊末路不已,是以他但愿能用这个今朝已知世界上发展最快的细菌代替尝试室主力年夜肠杆菌,来更快地完成他的研究。 一样地,陪伴着愈来愈多面向分歧物种的用在切确基因/基因组操作东西的呈现,可以或许承载新设计生物功能的底盘也在渐渐呈现。除年夜肠杆菌,可以选择枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒杆菌,和酿酒酵母——作为真核生物,可以或许供给更好的排泄通路和翻译后润色。 但是放假?放甚么假?只有对尝试室没有效的菌株才会放假!在各类各样的底盘生物“百花齐放”的今天,年夜肠杆菌依然是很多尝试室的主力,年夜肠杆菌的“最后一舞”还在继续——即便是想要利用更复杂的生命系统,年夜肠杆菌也是不成轻忽的岸边灯塔,是查验遗传设计是不是公道,可否进一步被推行到更复杂宿主之前的试金石。 参考文献: [1] Ruiz N, Silhavy TJ. How Escherichia coli Became the Flagship Bacterium of Molecular Biology. J Bacteriol. 2022 Sep 20;204(9):e0023022. doi: 10.1128/jb.00230-22. Epub 2022 Aug 2. PMID: 35916528; PMCID: PMC9487582. [2] Downie JA, Young JPW. The ABC of symbiosis. Nature. 2001 Aug;412(6847):597–8. [3] https://blog.addgene.org/plasmids-101-common-lab-e-coli-strains [4] Calero P, Nikel PI. Chasing bacterial chassis for metabolic engineering: a perspective review from classical to non-traditional m云开体育官方app下载icroorganisms. Microb Biotechnol. 2019 Jan;12(1):98-124. doi: 10.1111/1751-7915.13292. Epub 2018 Jun 21. PMID: 29926529; PMCID: PMC6302729. [5] Adams BL. The Next Generation of Synthetic Biology Chassis: Moving Synthetic Biology from the Laboratory to the Field. ACS Synth Biol. 2016 Dec 16;5(12):1328-1330. doi: 10.1021/acssynbio.6b00256. Epub 2016 Sep 26. PMID: 27665861. [6] Stephanopoulos G. Synthetic biology and metabolic engineering. ACS Synth Biol. 2012 Nov 16;1(11):514-25. doi: 10.1021/sb300094q. PMID: 23656228. [7]https://www.science.org/content/article/scientists-want-replace-lab-workhorse-e-coli-world-s-fastest-growing-bacterium [8] Meng F, Ellis T. The second decade of synthetic biology: 2010-2020. Nat Commun. 2020 Oct 14;11(1):5174. doi: 10.1038/s41467-020-19092-2. PMID: 33057059; PMCID: PMC7560693.

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