分子生物学における大腸菌

大腸菌（ / ˌɛʃɪˈrɪkiəˈkoʊlaɪ /、一般的にE.coliと略される）は、グラム陰性のガンマプロテオバクテリアで、温血動物（恒温動物）の下部腸管によく見られる。K- 12株とB株という2つの分離株の子孫は、分子生物学においてツールとしてもモデル生物としても日常的に使用されている。

大腸菌は最も多様な細菌種の一つであり、様々な症状を示す病原性株が複数存在し、ゲノムのわずか20%しか全株に共通していない。^{[ 1 ]}さらに、進化論的な観点から見ると、Shigella属（dysenteriae、flexneri、boydii、sonnei）のメンバーは実際には「偽装した」大腸菌株である（つまり、大腸菌はShigella属に対して側系統群である）。^{[ 2 ]}

1885年、ドイツの小児科医テオドール・エシェリヒは、健康な人の糞便からこの種を初めて発見し、大腸に存在することから、また原核生物の初期の分類では、その形状と運動性に基づいて少数の属に分類されていたことから、 Bacterium coli communeと名付けました（当時、エルンスト・ヘッケルのモネラ界における細菌の分類が確立されていました^{[ 3 ]}）。^{[ 4 ]}

細菌の分類の見直しに伴い、1895年にミグラによってバチルス・コリに再分類され^{[ 5 ]}、その後、大腸菌に再分類された^{[ 6 ]}。

培養が容易で増殖が速いため、初期の微生物学実験で使用されました。しかし、細菌は原始的で細胞以前のものと考えられており、1944年にエイブリー、マクラウド、マッカーティがサルモネラ菌を用いてDNAが遺伝物質であることを実証するまではほとんど注目されていませんでした。その後、大腸菌が連鎖地図作成研究に使用されました。^{[ 7 ]}

大腸菌の多くの株のうち、4株（K-12、B、C、W）はモデル生物株と考えられている。これらはバイオセーフティガイドラインにおいてリスクグループ1に分類されている。

大腸菌は、長年の実験室培養の歴史と操作の容易さから、現代​​の生物工学や産業微生物学においても重要な役割を果たしている。^{[ 29 ]}スタンリー・ノーマン・コーエンとハーバート・ボイヤーによる大腸菌を用いたプラスミドと制限酵素による組換えDNAの作成に関する研究は、バイオテクノロジーの基礎となった。^{[ 30 ]}

異種タンパク質の生産に非常に汎用性の高い宿主と考えられており、^{[ 31 ]}研究者はプラスミドを使用して微生物に遺伝子を導入し、工業発酵プロセスでタンパク質を大量生産することができます。大腸菌を使用して組換えタンパク質を生産できる遺伝子システムも開発されています。組換えDNA技術の最初の有用な応用の1つは、ヒトインスリンを生産するための大腸菌の操作でした。^{[ 32 ]}改変された大腸菌は、ワクチン開発、バイオレメディエーション、固定化酵素の生産に使用されています。^{[ 31 ]}タンパク質を生産するために、さまざまな大腸菌株、BL21(DE3)またはその誘導体が使用されています。^{[ 33 ]}

大腸菌は、これまで大腸菌では困難または不可能と考えられていたタンパク質、例えば複数のジスルフィド結合を含むタンパク質や、安定性や機能のために翻訳後修飾を必要とするタンパク質の生産に成功裏に利用されてきた。大腸菌の細胞環境は通常、ジスルフィド結合が形成されるには還元性が高すぎるため、ジスルフィド結合を持つタンパク質はペリプラズム空間に分泌される可能性があるが、チオレドキシンとグルタチオンの両方の還元が損なわれた変異体では、大腸菌の細胞質内でジスルフィド結合タンパク質を生産することも可能になる。^{[ 34 ]}また、カンピロバクター・ジェジュニのN結合型糖鎖付加システムを大腸菌に導入 することで、糖タンパク質を含む様々な翻訳後修飾を持つタンパク質の生産にも利用されてきた。^{[ 35 ] [ 36 ]} 現在、この技術を拡張して複雑な糖鎖付加を生産する取り組みが進められている。^{[ 37 ] [ 38 ]}

また、ハミルトン経路問題のような複雑な数学的問題を解決するために、大腸菌をプログラミングする研究も行われている。^{[ 39 ]}

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用いられています。培養株（例えば大腸菌K-12）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。^{[ 40 ] [ 41 ]}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。

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^{[ 42 ]}、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^{[ 43 ]} 。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^{[ 44 ]} 、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^{[ 45 ]} 。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。

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K-12の完全なゲノムは1997年にサイエンス誌に掲載された^{。[ 46 ]}

1988 年にRichard Lenski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、実験室での主要な進化的変化を直接観察することが可能になった。^{[ 47 ]}この実験では、大腸菌の 1 つの集団が、クエン酸を好気的に代謝する能力を予期せず進化させた。この能力は、大腸菌では極めてまれである。大腸菌は通常、嫌気的条件下でクエン酸上で増殖し、好気的条件下でもクエン酸を代謝できる活性なクエン酸回路を持っている。^{[ 48 ]}好気的イベントは主に、好気的条件下ではCitT が発現しないために、クエン酸が細胞内に入ることができるという問題である。 ^{[ 49 ] [ 48 ]}クエン酸発酵遺伝子の調節は、2020 年にさらに詳細に研究された。^{[ 50 ]}この集団は、異なるプロモーターの下でCitTの追加コピーを持つことで、クエン酸を使用する能力を進化させた。^{[ 51 ]}

好気性条件下で増殖できないことは、通常、大腸菌をサルモネラ菌などの近縁細菌と区別するための診断基準として用いられるため、今回の変化は実験室で観察された種分化事象を示す可能性がある。しかし、細菌分類学における種の概念には十分な遺伝的距離も必要であり、進化はそれを達成していない。