大腸菌

大腸菌はグラム陰性、通性嫌気性、非胞子形成性大腸菌群細菌である。^{[ 19 ]}細胞は通常桿状で、長さは約2.0 μm、直径は0.25～1.0 μm、細胞体積は0.6～0.7 μm³で^ある。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}  

大腸菌は、細胞壁が薄いペプチドグリカン層と外膜で構成されているため、グラム陰性菌として染色されます。染色過程で、大腸菌 は対比染色剤であるサフラニンの色を吸収し、ピンク色に染色されます。細胞壁を囲む外膜は特定の抗生物質に対するバリアとして機能するため、大腸菌 はペニシリンによって損傷を受けません。^{[ 17 ]}

細菌が泳ぐことを可能にする鞭毛は、周毛性配列をしている。^{[ 23 ]}鞭毛は、インティミンと呼ばれる接着分子を介して腸の微絨毛に付着し、剥離する。^{[ 24 ]}

大腸菌はさまざまな基質上で生存でき、嫌気性条件下で混合酸発酵を行い、乳酸、コハク酸、エタノール、酢酸、二酸化炭素を生成します。混合酸発酵の多くの経路では水素ガスが生成されるため、これらの経路では水素レベルが低い必要があり、大腸菌がメタン生成菌や硫酸還元菌などの水素消費性微生物と共生している場合が これに該当します。^{[ 25 ]}

さらに、大腸菌 の代謝は、バイオマス生産のための炭素源としてCO2のみを使用するように再配線することができます。言い換えれば、_この絶対従属栄養生物の代謝は、炭素固定遺伝子とギ酸脱水素酵素を異種発現させ、実験室で進化実験を行うことにより、独立栄養能力を示すように変更することができます。これは、ギ酸を使用して電子伝達体を還元し、これらの合成独立栄養生物内の同化経路に必要なATPを供給することによって行うことができます。 ^{[ 26 ]}

大腸菌には、 EMPP、EDP、OPPPという3つの固有の解糖経路があります。EMPPは10の酵素反応を経て、グルコース1分子あたり2つのピルビン酸、2つのATP 、 2つのNADHを生成します。一方、OPPPはNADPH合成のための酸化経路として機能します。EDPは3つの経路の中で熱力学的に最も有利ですが、大腸菌はグルコース代謝にEDPを使用せず、主にEMPPとOPPPに依存しています。EDPは、グルコン酸存在下での増殖時を除いて、ほとんど不活性です。^{[ 27 ]} 

大腸菌 の最適な増殖は37 ℃（99 °F）で起こりますが、一部の実験室株は49 ℃（120 °F）までの温度で増殖することができます。^{[ 29 ]}大腸菌は、溶原性ブロスなどのさまざまな規定された実験室培地、またはグルコース、リン酸二アンモニウム、塩化ナトリウム、硫酸マグネシウム、リン酸二カリウム、および水を含む任意の培地で増殖します。増殖は、ピルビン酸、ギ酸、水素、アミノ酸の酸化、および酸素、硝酸塩、フマル酸塩、ジメチルスルホキシド、トリメチルアミンN-オキシドなどの基質の還元を含む、さまざまな酸化還元対を使用した好気呼吸または嫌気呼吸によって促進されます。^{[ 30 ]}大腸菌は通性嫌気性菌に分類されます。酸素が存在し利用可能な場合はそれを利用する。しかし、発酵または嫌気呼吸によって酸素がない状態でも増殖を続けることができる。呼吸の種類はアークシステムによって部分的に制御されている。酸素がない状態でも増殖を続ける能力は、水が優勢な環境での生存率が高まるため、細菌にとって有利である。^{[ 17 ]}      

細菌の細胞周期は3つの段階に分けられます。B期は細胞分裂の完了からDNA複製の開始までです。C期は染色体DNAの複製にかかる時間です。D期はDNA複製の終了から細胞分裂の終了までの 段階です。 ^{[ 31 ]}大腸菌  の倍加速度は、利用可能な栄養素が多いほど高くなります。しかし、倍加時間がC期とD期の合計よりも短くなった場合でも、C期とD期の長さは変わりません。最も速い成長速度では、複製は前の複製ラウンドが完了する前に開始され、その結果、DNAに沿って複数の複製フォークが生じ、細胞周期が重複します。^{[ 32 ]}

急速に増殖する大腸菌 の複製フォークの数は通常 2n (n = 1、2、または 3) に従います。これは、すべての複製起点から複製が同時に開始される場合にのみ発生し、同期複製と呼ばれます。ただし、培養中のすべての細胞が同期的に複製するわけではありません。この場合、細胞は 2 倍数の複製フォークを持ちません。この場合、複製開始は非同期と呼ばれます。^{[ 33 ]}ただし、非同期は、たとえばdnaA ^{[ 33 ]}またはDnaA開始因子結合タンパク質 DiaA ^{[ 34 ]の変異によって引き起こされる可能性があります。}

大腸菌 は二分裂によって増殖するが、細胞分裂によって生じる2つの同一と思われる細胞は機能的に非対称であり、古い極細胞は老化した親として働き、若返った子孫を繰り返し生み出す。^{[ 35 ]}ストレスレベルが上昇すると、古い大腸菌系統における損傷の蓄積が不死 の閾値を超え、分裂が停止して死に至る可能性がある。^{[ 36 ]}細胞老化は一般的なプロセスであり、原核生物と真核生物の両方に影響を与える。^{[ 36 ]}

大腸菌および関連細菌は、細菌接合または形質導入を介してDNAを伝達する能力を有しており、これにより遺伝物質が既存の集団内で水平方向に拡散することが可能になります。バクテリオファージと呼ばれる細菌ウイルスを使用する形質導入のプロセス^{[ 37 ]}は、志賀毒素をコードする遺伝子が志賀菌から大腸菌に拡散し、志賀毒素産生性大腸菌株である大腸菌O157 :H7が生成された事例です。   

大腸菌 の一般的な分類体系は、進化的な関連性に基づくものではなく、血清型によるものであり、これは主要な表面抗原（O抗原：リポ多糖層の一部、H：鞭毛タンパク質、K抗原：莢膜）に基づいている（例：O157:H7）。^{[ 41 ]}ただし、血清群、すなわちO抗原のみを引用するのが一般的である。現在、約190の血清群が知られている。^{[ 42 ]}研究室で一般的に使用される非病原性株はO抗原を持たないため、血清型分類ができない。

すべての生命体と同様に、大腸菌  の新しい株は、突然変異、遺伝子重複、水平遺伝子伝達という自然な生物学的プロセスを経て進化します。特に、実験室株MG1655のゲノムの18%は、サルモネラ菌からの分岐以来、水平的に獲得されたものです。[43] 大腸菌K-12株と大腸菌B^株は、実験室で最も頻繁に使用される品種です。一部の株は、宿主動物に有害となる特性を発達させます。これらの毒性の強い株は通常、健康な成人では自然治癒することが多い下痢を引き起こしますが、発展途上国の子供にとっては致命的となることがよくあります。^{[ 44 ]} O157:H7などのより毒性の強い株は、高齢者、乳幼児、または免疫不全者に重篤な病気や死を引き起こします。^{[ 44 ] [ 45 ]}  

エシェリヒア属とサルモネラ属は、約1億200 万年前（信頼区間：5700万～1億7600万年前）に分岐したが、これは宿主の分岐（単弓類を 参照）とは無関係である。前者は哺乳類に、後者は鳥類と爬虫類に見られる。^{[ 46 ]}その後、エシェリヒア属の祖先が5種（E. albertii、E. coli、E. fergusonii、E. hermannii、E. vulneris）に分裂した。最後のE. coliの祖先は2000万～3000万年前に分岐した。^{[ 1 ]}       

1988年にリチャード・レンスキーによって開始された大腸菌を用いた 長期進化実験により 、実験室で65,000世代以上にわたるゲノム進化を直接観察することが可能になった。^{[ 47 ]}例えば、大腸菌は通常、クエン酸を炭素源として好気的に増殖する能力を持たない。これは、サルモネラ菌などの近縁の細菌と大腸菌を区別するための診断基準として用いられる。この実験では、大腸菌のある集団が予期せずクエン酸を好気的に代謝する能力を獲得した。これは、微生物の種分化の​​特徴をいくつか示す大きな進化上の変化である。   

微生物の世界では、動物の世界で観察されるのと同様の捕食関係が確立されることがあります。検討すると、大腸菌は、ミクソコッカス・キサンタスなどの複数の汎食性捕食者の餌となることがわかっています。 この捕食者と被食者の関係では、ゲノムと表現型の変化を通じて両種の並行進化が観察されます。大腸菌 の場合、変化は、粘液産生（細胞外アルギン酸の過剰産生）とOmpT遺伝子の抑制など、病原性に関わる2つの側面で変化し、将来の世代では、一方の種のより優れた適応が他方の種の進化によって相殺され、赤の女王仮説によって実証された共進化モデルに従います。^{[ 48 ]}

大腸菌は属（ Escherichia）のタイプ種であり、 Escherichia は腸内細菌科のタイプ属である。この科名は属Enterobacter + "i" (sic.) + " aceae " からではなく、"enterobacterium" + "aceae" から来ている（enterobacterium は属ではなく、腸内細菌の別名である）。^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

エシェリッヒによって記載された元の株は失われたと考えられており、そのため新しいタイプ株（ネオタイプ）が代表として選ばれました。ネオタイプ株はU5/41 ^{T [ 52 ]}で、寄託名DSM 30083 ^{[ 53 ]} 、ATCC 11775 ^{[ 54 ]}、NCTC 9001 ^{[ 55 ]}としても知られており、ニワトリに病原性があり、O1:K1:H7血清型を持っています。^{[ 56 ]}しかし、ほとんどの研究では、O157:H7 、K-12 MG1655、またはK-12 W3110のいずれかが代表的な大腸菌として 使用されました。タイプ株のゲノムはごく最近（2013年）に配列決定されました。^{[ 52 ]}

この種に属する多くの株が分離され、特徴付けられています。血清型（前述参照）に加えて、系統発生、つまり推定される進化の歴史に基づいて分類することができ、以下に示すように、2014 年時点でこの種は 6 つのグループに分けられています。^{[ 57 ] [ 58 ]}特に全ゲノム配列の使用により、非常に支持された系統発生が得られます。^{[ 52 ]}系統群構造は、新しい方法や配列に対しても頑健であり、新しいグループが追加されることもあり、2023 年時点では 8 つまたは 14 つになります。^{[ 59 ] [ 60 ]}

系統発生距離（「関連性」）と病理との関連性は小さい^{[ 52 ]。}例えば、クレード（「排他的グループ」）を形成するO157 :H7血清型株（以下、グループE）はすべて腸管出血性大腸菌（EHEC）であるが、すべてのEHEC株が密接に関連しているわけではない。実際、4つの異なるShigella種がE. coli株の中に含まれている（前述参照）が、E. albertiiとE. fergusoniiはこのグループの外にある。実際、タイプ株を含む系統ゲノム研究では、すべてのShigella種がE. coliの単一の亜種内に位置づけられた。 ^{[ 52 ]}一般的に使用されている大腸菌の研究用株はすべてA群に属し、主にクリフトンのK-12株（λ ⁺ F ⁺ ; O16）に由来し、程度は低いものの、デレルの「バチルス・コリ」株（B株; O7）にも由来しています。     

分類体系を系統発生に合わせて改訂するという提案が複数あった。^{[ 52 ]}しかし、これらの提案はすべて、 Shigellaが医学において広く使われている名前であるという事実に向き合い、名称変更から生じる可能性のある混乱を減らす方法を見つける必要がある。^{[ 61 ]}

大腸菌 のゲノム配列は4288個のタンパク質コード遺伝子を予測しており、そのうち38%は当初機能が不明であった。配列決定された他の5つの微生物との比較により、遍在する遺伝子ファミリーと狭く分布する遺伝子ファミリーが明らかになり、大腸菌内には類似遺伝子のファミリーが多数存在することも 明らかになった。最大のパラログタンパク質ファミリーには80個のABCトランスポーターが含まれる。ゲノム全体は複製の局所的な方向に関して驚くほど組織化されており、グアニン、複製と組換えに関連する可能性のあるオリゴヌクレオチド、およびほとんどの遺伝子はそのような方向に配向している。ゲノムには挿入配列（IS）要素、ファージ残骸、および水平伝達によるゲノムの可塑性を示す異常な構成の他の多くのパッチも含まれている。^{[ 62 ]}

いくつかの研究で大腸菌のプロテオームが実験的に調査されている。 2006年までに、予測されたタンパク質（オープンリーディングフレーム、ORF）のうち1,627個（38%）が実験的に同定された。^{[ 68 ]} Mateusらは2020年に、少なくとも2つのペプチドを持つ2,586個のタンパク質（全タンパク質の60%）を検出した。^{[ 69 ]} 

細菌タンパク質は真核生物タンパク質に比べて翻訳後修飾（PTM）を受けるものがはるかに少ないように見えるが、大腸菌ではかなりの数のタンパク質が修飾されている。例えば、Potelら（2018）は227個のリン酸化タンパク質を発見し、そのうち173個はヒスチジンでリン酸化されていた。リン酸化されたアミノ酸の大部分はセリン（1,220箇所）であり、ヒスチジン上のリン酸化箇所はわずか246箇所、リン酸化されたトレオニンは501箇所、チロシンは162箇所であった。^{[ 70 ]} 

大腸菌の相互作用ネットワークは、アフィニティー精製と質量分析法（AP/MS）およびタンパク質間の二者間相互作用の解析によって研究されてきた。 

タンパク質複合体。2006年の研究では、K-12株の培養物から4,339個のタンパク質を精製し、2,667個のタンパク質の相互作用パートナーを発見したが、その多くは当時機能が不明であった。^{[ 71 ]} 2009年の研究では、同じ大腸菌株のタンパク質間の相互作用が5,993個発見されたが、 これらのデータは2006年の論文のデータとはほとんど重複していなかった。^{[ 72 ]}

二者間相互作用。Rajagopalaら（2014）は、ほとんどのE.  coliタンパク質を用いて系統的な酵母ツーハイブリッドスクリーニングを実施し、合計2,234のタンパク質間相互作用を発見した。^{[ 73 ]}この研究では、遺伝子相互作用とタンパク質構造も統合し、227のタンパク質複合体内の458の相互作用をマッピングした。

大腸菌 は、実験室環境で低コストかつ迅速に培養および改変できるため、治療薬に使用される組換えタンパク質の生産に広く用いられている発現プラットフォームである。他の発現プラットフォームと比較して大腸菌 を使用する利点の1つは、大腸菌は多くのタンパク質を自然にペリプラズムに輸送しないため、交差汚染なしに目的のタンパク質を回収しやすいことである。[76] 大腸菌K  - 12株と^{その誘導体（} DH1 、DH5α、MG1655、RV308、W3110）は、 バイオテクノロジー業界で最も広く使用されている株である。^{[ 77 ]}非病原性大腸菌 株Nissle 1917 (EcN)、(Mutaflor)、および大腸菌 O83:K24:H31 (Colinfant) ^{[ 78 ] [ 79 ]}は、主に炎症性腸疾患を含むさまざまな胃腸疾患の治療のために、医療におけるプロバイオティクス剤として使用されています。^{[ 80 ] [ 81 ]} EcN 株は、ミクロシンタンパク質の産生やシデロフォアの産生を通じて、サルモネラ菌や他の大腸菌群腸管病原菌などの日和見病原菌の増殖を阻害する可能性があると考えられています。^{[ 82 ]}

STEC菌を摂取してから発症するまでの期間を「潜伏期間」と呼びます。潜伏期間は通常、曝露後3～4日ですが、最短で1日、最長で10日になることもあります。症状は、軽い腹痛や血便を伴わない下痢など、数日かけて徐々に悪化する形で始まることが多いです。HUSは、発症した場合、下痢が改善し始めた最初の症状から平均7日後に発症します。^{[ 95 ]}

感染性下痢の診断および抗菌薬耐性の特定は、便培養とそれに続く抗菌薬感受性試験によって行われます。消化管病原体の培養には、最短で2日、最長で数週間かかります。便培養の感度（真陽性率）と特異度（真陰性率）は病原体によって異なりますが、ヒト病原体の中には培養できないものもあります。培養陽性検体の場合、抗菌薬耐性試験の実施にはさらに12～24時間かかります。

現在のポイントオブケア分子診断検査は、培養や感受性試験よりもはるかに迅速に大腸菌および特定された菌株の抗菌薬耐性を同定できます。マイクロアレイベースのプラットフォームは、高感度かつ高特異度で2時間以内に特定の病原性大腸菌株および大腸菌特異的AMR遺伝子を同定できますが 、 検査パネルのサイズ （すなわち、全病原体および抗菌薬耐性遺伝子）には制限があります。培養および現在利用可能なすべての分子診断技術のさまざまな制限を克服するために、メタゲノミクスに基づく新しい感染症診断プラットフォームが現在開発されています。

治療の主軸は、脱水の評価と水分および電解質の補充です。抗生物質の投与は、流行地域および旅行者下痢症の成人における腸管毒素原性大腸菌（  ETEC）の病気の経過と排泄期間を短縮することが示されていますが、一般的に使用される抗生物質に対する耐性率は増加しており、一般的には推奨されていません。^{[ 96 ]}使用される抗生物質は、特定の地理的地域における感受性パターンによって異なります。現在、選択される抗生物質はフルオロキノロンまたはアジスロマイシンであり、リファキシミンの役割が新たに現れています。半合成リファマイシン誘導体であるリファキシミンは、非侵襲性旅行者下痢症の成人の管理に効果的で忍容性の高い抗菌薬です。リファキシミンは、下痢の期間を短縮する点でプラセボよりも有意に効果的であり、シプロフロキサシンよりも効果が劣ることはありませんでした。リファキシミンは、大腸菌 が優勢な旅行者下痢症の患者には有効ですが、炎症性または侵襲性の腸管病原体に感染した患者には効果がないようです。^{[ 97 ]}

ETECは、ワクチン開発の取り組みの大部分が集中している大腸菌の種類です。ETECの LTおよび主要なCFに対する抗体は、LTを産生し、ETECが発現する相同CFに対する防御を提供します。毒素抗原と全細胞からなる経口不活化ワクチン、すなわち認可された組換えコレラBサブユニット（rCTB）-WCコレラワクチンであるDukoralが開発されています。現在、ETECに対する認可されたワクチンはありませんが、いくつかのワクチンがさまざまな開発段階にあります。^{[ 98 ]}さまざまな試験で、rCTB-WCコレラワクチンは高い（85～100%）短期防御を提供しました。rCTBと主要なCFを発現するホルマリン不活化大腸菌からなる経口ETECワクチン候補は、臨床 試験で、アメリカの旅行者の重度の下痢に対して安全で免疫原性があり、効果的であることが示されていますが、エジプトの幼児のETEC下痢に対しては効果がありませんでした。主要なCFを過剰発現する組換え大腸菌 株と、LCTBAと呼ばれるLTに似たハイブリッドトキソイドからなる改変ETECワクチンが臨床試験を受けている。 ^{[ 99 ] [ 100 ]}

大腸菌 感染の予防方法としては、手洗い、衛生状態の改善、飲料水の改善などが挙げられます。感染は食品や飲料水の糞便汚染によって起こります。また、肉を十分に加熱調理すること、生の未殺菌飲料（ジュースや牛乳など）の摂取を避けることも、大腸菌感染予防に効果的な方法です。最後 に、調理器具や作業スペースの交差汚染は食品の調理時に避けるべきです。^{[ 101 ]}

大腸菌は、微生物学研究においてモデル生物として頻繁に使用されています。培養株（例：大腸菌 K12）は実験室環境によく適応しており、野生型株とは異なり、腸内で増殖する能力を失っています。多くの実験室株はバイオフィルムを形成する能力を失っています。^{[ 115 ] [ 116 ]}これらの特徴は、野生型株を抗体やその他の化学的攻撃から保護しますが、多大なエネルギーと物質資源の消費を必要とします。大腸菌 は、光触媒を含む新しい水処理および滅菌方法の研究において、代表的な微生物としてよく使用されます。標準平板計数法により、段階希釈後、寒天ゲルプレート上で増殖させることで、既知量の処理水中の生菌数またはCFU（コロニー形成単位）の濃度を評価することができ、材料の性能を比較評価することができます。^{[ 117 ]}

1946年、ジョシュア・レーダーバーグとエドワード・テイタムは、モデル細菌として大腸菌を用いて細菌接合として知られる現象を初めて記述し^{[ 118 ]} 、大腸菌は接合を研究するための主要なモデルであり続けている^{[ 119 ]} 。大腸菌はファージ遺伝学を理解するための最初の実験に不可欠な部分であり^{[ 120 ]} 、シーモア・ベンザーなどの初期の研究者は、遺伝子構造の地形を理解するために大腸菌とファージT4を使用した^{[ 121 ]} 。ベンザーの研究以前は、遺伝子が線状構造なのか、分岐パターンを持っているのかは知られていなかった^{[ 122 ] 。}   

大腸菌はゲノム配列が解読された最初の生物の一つであり、大腸菌K12の完全なゲノムは 1997年にサイエンス誌に掲載された。^{[ 62 ]}