大肠杆菌: “天选打工人”的成名之路

本文来自微信公众号：iSynBio造物 （ID：gh_1c7f920d8f21），作者：未央，题图来自：视觉中国

“E字一族”的起源  

特奥多尔·埃舍里希 (Theodor Escherich)，19世纪的杰出医师兼科学家，作为最早探索微生物的科学家之一，创立了肠道病理学领域，将自己的名字与大肠杆菌的名字（Escherichia coli）联系在了一起——于1885年发现并命名了大肠杆菌。自此，“E.coli一族”便被赋予了“天选打工仔”的宿命。

特奥多尔·埃舍里希（Theodor Escherich，1857－1911），图/wikipedia

1885年，埃舍里希在尝试找出霍乱病原时，无意中分离出了大肠杆菌；138年后的今天，“E.coli一族”已然有了数量庞大的家族成员。总体而言，今天实验室常用的大肠杆菌来自两个单独的分离株，即K-12菌株和B菌株。

K-12菌株于1922年从一名白喉患者的粪便中分离出来，并于1925年保藏在斯坦福大学细菌学和实验病理学系的菌种库中；实验室常见菌株MG1655（野生型K-12菌株）及其衍生菌株DH5α和DH10B（也称为TOP10）都是K-12家族成员。

B菌株的历史比较复杂，它很可能在1918年就被分离出来，但直到1942年才首次被称为“B菌株”。BL21菌株及其衍生菌株，如BL21（DE3）是大肠杆菌B菌株最常见的“徒子徒孙”。那么问题来了，K-12和B菌株这两个“打工仔”在实验室有哪些不同用途呢？

细菌只有两种，一种是大肠杆菌，另一种不是    

“细菌只有两种，这是举世公认的真理。一种是大肠杆菌，另一种不是。大肠杆菌所做的任何事情都是关于细菌的普遍真理。”J. Allan Downie和J. Peter W. Young在 Nature 中毫不讳言地写道。

1940年代，由于大肠杆菌在许多基础研究中的突出表现，当仁不让地成为首选的模式生物（生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象，这种被选定的生物物种就是模式生物。如：豌豆、果蝇、小鼠等）；这样的研究热潮在1950年代分子生物学革命开始时迎来了井喷式发展。结果显而易见，它成为了生命基本理论（包括遗传密码、转录、翻译和复制等）最先取得突破的生物，无数的诺贝尔奖被打上了大肠杆菌的烙印。

由此产生的知识和用于操纵其基因的分子生物学方法已经使大肠杆菌在基因工程、药物生产和实验室微生物进化方面大放异彩。毫不夸张地说，大肠杆菌现在是生物学研究中最重要的模式生物之一。所有的偶然背后都是必然在驱动，为什么是大肠杆菌？为什么科学家不约而同地选择大肠杆菌？

诺贝尔奖得主、法国科学家贾克·莫诺(Jacques Monod)曾说过，“适用于大肠杆菌的情况也适用于大象”。尽管他的陈述可能有些夸张，但这也许是对我们理解大肠杆菌对生命科学的贡献的最佳概括。所有生物体都以相似的方式运作，无论是细菌还是大象。不同在于，人类和其他高等生物通常由数万亿个协同工作的细胞组成，而大肠杆菌属于单细胞生物。因此，在大肠杆菌中可以更方便地研究在人类或动物中不易操作的生物过程。

之所以科学家们经常将大肠杆菌称为“模式生物”，就是因为它提供了一个易于研究的生物过程模型，而推动这些生物过程发生的根本分子基础是生物体所共有的。同时，相比于其他模式生物而言，大肠杆菌生长速度快、培养成本低，不仅吃的少，活干得还多，这不妥妥的“天选打工人”。

另外，大肠杆菌已被用作模式生物60多年，遗传信息清晰，使得科学家可以随心所欲地对基因进行操纵（删除，替换，突变，整合）。

合成生物学与大肠杆菌     

20世纪70年代发展起来的重组DNA技术，打开了基于大肠杆菌的分子生物学研究的大门。

2000年，第一个遗传切换开关和合成振荡网络在大肠杆菌中成功构建，这也宣告了一门新兴学科——合成生物学的诞生。

合成生物学是将生物学与化学、数学、计算机科学和工程学相结合的多学科研究领域，使用工程原理作为生物学研究的指导方针，侧重于通过修改、设计和从头构建生物系统工程。合成生物学的诞生更加夯实了大肠杆菌这个“究极打工仔”的地位。随着时间的不断推进，越来越多地具有更高复杂性、稳健性和精确性的合成生物学元件被开发出来。

2016年，Nielsen等人发布了Cello，这是一种用于在大肠杆菌中构建逻辑电路的端到端计算机辅助设计系统，成功实现了合成生物学创立之初立下的“Flag”——标准化、表征和自动化设计。

2013年，CRISPR-Cas（成簇的规则间隔短回文重复序列与相关蛋白）家族的陆续问世以及随之诞生的革命性的基因组编辑技术更是将合成生物学推向了高潮，极大地促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     

高度适合基因操作、多样的遗传操作工具以及全面的基因组信息等重要特征让大肠杆菌被广泛用作模式生物系统，用于遗传零件组装、调节基因表达、通路构建和工业重要产品的生物制造。

但“巧妇难为无米之炊”，大肠杆菌的应用途径是有限的，它并不适用于所有生物过程的研究和化学物质的生产，例如作为原核生物，缺少相应的翻译后修饰让其在表达真核生物的蛋白质时有时会有些“力不从心”。而且，科学研究已经从简单的基因突变发展到插入合理设计的复杂合成电路和构建全合成基因组，大肠杆菌不再是日益复杂的遗传设计的最佳宿主，换言之，“天选打工人”在自己并不擅长的领域，也将面临“退休”的一天。

“我们使用大肠杆菌只是因为我们最了解它。”哈佛遗传学家Henry Lee说。他与George Church合作发现了需钠弧菌（Vibrio natriegens），一种在最适环境下仅需要10分钟就可以完成一倍扩增的细菌（大肠杆菌约需要20分钟）。Lee在基因组研究的学术生涯中，常常因为养菌过程漫长而懊恼不已，因此他希望能用这个目前已知世界上生长最快的细菌取代实验室主力大肠杆菌，来更快地完成他的研究。

同样地，伴随着越来越多面向不同物种的用于精确基因/基因组操作工具的出现，能够承载新设计生物功能的底盘也在慢慢出现。除了大肠杆菌，可以选择枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒杆菌，以及酿酒酵母——作为真核生物，能够提供更好的分泌通路和翻译后修饰。

然而放假？放什么假？只有对实验室没有用的菌株才会放假！在各种各样的底盘生物“百花齐放”的今天，大肠杆菌仍然是许多实验室的主力，大肠杆菌的“最后一舞”还在继续——即使是想要使用更复杂的生命系统，大肠杆菌也是不可忽视的岸边灯塔，是检验遗传设计是否合理，能否进一步被推广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 microorganisms. 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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