Escherichia coli

Istorija

1885 m vokiečių-austrų pediatras Theodor Escherich atrado šį organizmą sveikų individų išmatose. Jis pavadino šį žarnoje randamą organizmą Bacterium coli commune. Ankstyvoji prokariotų klasifikaciją šiuos organizmus skirstė pagal formą ir judrumą ir tuometinėje Ernst Haeckel'io klasifikacijoje jos buvo priskiriamos Monera karalystei. Bacterium coli buvo rūšis dabar jau negaliojačioje gentyje Bacterium.  1895 m. jos buvo perklasifikuotos į Bacillus coli  ir vėliau į naujai sukurtą gentį Escherichia, pavadintą pagal jų atradėją.

Morfologija

E. coli yra gram-neigiama, fakultatyvinė anaerobinė (kuri gamina ATP aerobiniu kvėpavimu jeigu yra deguonies, bet gali fermentuoti ar anaerobiškai kvėpuoti jei deguonies nėra), nesporuliuojanti bakterija.  Paprastai ląstelės yra lazdelės formos, maždaug 2.0 μm ilgio ir 0.25–1.0 μm skersmens; ląstelės tūris maždaug 0.6–0.7 μm³.   E. coli dažosi kaip Gam-neigiama, nes jos ląstelės sienelė yra sudaryta iš plono peptidoglikano sluokslio ir išorinės membranos. Gram dažymo metu, E. coli nusidažo safraninu rožine spalva. Padermės kurios turi žiuželius yra judrios.   Jos taip pat prisijungia ir pažeidžia žarnyno mikrogaurelius naudodamos prisitvirtinimo molekulę intiminą.

Metabolizmas

E. coli gali gyventi ant didelės įvairovės substratų ir naudoja mišrų-rūgštinį fermentavimą anaerobinėmis sąlygomis, gamindamos laktatą, sukcinatą, etanoli, acetatą ir anglies dvideginį. Daugumą mišraus rūgštinio fermentavimo kelių gamina vandenilio dujas, todėl šiems metaboliniams būtinas žemas vandenilio lygis, kaip yra E. coli kartu gyvenant su vandenilį vartojančiais organizmai, kaip metanogenai ar sulfatą-redukuojančios bakterijos.  E. coli optimali augimo temperatūra yra 37 °C (98.6 °F), tačiau kai kurios laboratorinės padermės gali daugintis iki 49 °C (120 °F). E. coli auga įvairiose laboratorinėse terpėse kaip lizogeninė terpė (LB), ar bet kurioje terpėje, kurioje yra gliukozės, amonio monofosfato, natrio chlorido, magnio sulfato, kalio difosfato ir vandens.

Genetika

E. coli ir į ją panašios bakterijos gali perduoti DNR bakterinės konjugacijos ar transdukcijos būdu, tokiu būdu bakterijų populiacijoje genetinis turinys papildomai platinamas horizontaliai. Transdukcijos procesas, kuriame naudojamas bakterijų virusas, vadinamas bakteriofagu  , yra atsakingas už geno, koduojančio šiga toksiną paplitimą ir perdavimą iš Shigella bakterijų į E. coli. Šis procesas padėjo susiformuoti E. coli O157:H7 padermei, kuri gamina šiga toksiną.
Pirma pilnai nuskaityta E. coli genomo (laboratorinės padermės K-12 atmaina MG1655) DNR seka buvo išspausdinta 1997 metais. Tai buvo vienas pirmųjų nusekvenuotų (nuskaityta DNR seka) organizmų. Genomas sudarytas iš žiedinės DNR molekulės talpinančios 4.6 mln bazių porų. DNR seka talpina 4288 anotuotų baltymus-koduojančių genų (organizuotų į 2584 operinus), septynių ribosominių RNR operonų, 86 transportinių RNR (tRNR). Nepaisant to, kad išsami E. coli genetinė analizė trunka maždaug 40 metų, didelis skaičius genų nėra aprašyti. Genai koduojami tankiai, vidutini tarpas tarp genų yra tik 118 bazių porų. Genome taip pat asta transpozonų, pasikartojančių elementų, integruotų bakteriofagų liekanų - kriptinių profagų.  Šiai dienai nuskaityta daugiau nei 300 pilnų Escherichia ir Shigella rūšių genomų. Lyginant šias sekas rasta didelė įvairovė – tik maždaug 20% kiekvieno šių genomų priklauso visiems izoliatams, o maždaug 80% šių genomų gali varijuoti.  Kiekvienas genomas turi tarp 4,000 ir 5,500 genų, tačiau vėl įvairovės šios rūšies genų įvairovė sumoje (pangenomas) viršija 16,000. Manoma, kad du trečdaliai E. coli pangenomo kilę iš kitų rūšių ir buvo perduota horizantalia genų pernaša.

Įvairovė

Evoliuciniu požiūriu Shigella genties rūšys (S. dysenteriae, S. flexneri, S. boydii ir S. sonnei) turėtų būti klasifikuojamos kaip E. coli padermės, tačiau klasifikacija kol kas paremta šių rūšių medicinine svarba.  Tuo tarpu kai kurios E. coli padermės (kaip K-12, naudojama rekombinantinės DNR darbams) yra pakankamai skirtinga ją perklasifikuoti. Padermė yra rūšies sub-grupė, kuri turi unikalius bruožuus skirtingus nuo kitų padermių. Šie skirtumai dažnai aptinkami molekuliniame lygmenyje, tačiau jie gali pasireikšti bakterijos fiziologijoje ar gyvenimo cikle. Pavyzdžiui, padermė gali įgyti patogeniškų bruožų, įgyti galimybę augti naudojant naują anglies šaltinį, ar užimti specifinę ekologinę nišą, ar įgyti atsparumą antibiotikams. Įviarios E. coli padermės dažnai specifinės šeimininkui, todėl leidžia nustatyti fekalinės taršos kilmę mėginiuose paimtuose iš aplinkos – ar ji kilusi iš žmogaus, kito žinduolio ar paukščio.

Simbiozė

E. coli priklauso bakterijų grupei neformaliai vadinamai koliformais, kurie randami ranami šiltakraujų gyvūnų žarnyne.  Paprastai E. coli patenka į naujagymių žarnyną per 40 valandų po gimimo, su maistu ar vandeniu ar per žmones, kurie rūpinasi kūdikiu. Žarnyne E. coli prisitvirtina prie gleivių storojoje žarnoje.  Kol bakterija neįgyja genetinių virulentiškumo veiknius koduojančių elementų ji yra nekenksmingas simbiontas.  Nepatogeninė E. coli padermė Nissle 1917, dar žinoma kaip Mutaflor, ir E. coli O83:K24:H31 (žinoma kaip Colinfant) naudojamos kaip probiotikai medicinoje, dažniausiai įvairių gastroenterologinių susirgimų gydymui.

Patogenezė

Dauguma E. coli padermių nesukelia ligų, tačiau virulentiškos (patogeniškos) padermės gali sukelti gastroenteritą, šlapimo takų infekcijas, naujagimių meningitą, hemoraginį kolitą ir Krono ligą. Dažni simptomai - pilvo srities spazmai, diarėja, hemoraginis kolitas, pykinimas ir kartais karščiavimas. Retais atvejais virulentiškos padermės taip pat sukelia žarnų nekrozę (audinių mirtį) su įvairiomis komplikacijomis. Vaikai yra labiau jautrūs, tačiau sudėtinga liga dėl E. coli infekcijos gali išsivystyti visokeriopo amžiaus sveiki individams.
Patogeniškos E. coli padermės gamina įvairius virulentiškumo veiksnius – adhezinus (prisitvirtinimo molekules), toksinus, geležies-surinkimo sistemas, polisacharidinius apdangalus ir invazinus (molekules skirtas išvengti imuninio atsako). Kai kurios E. coli padermės, pvz., O157:H7, gali gaminti šiga toksiną. Dėl toksino veiklos atsiranda įtrūkimų audiniuose, todel infekcija sukelia kraujingą diarėją. Tokios padermės vadinamos enterohemoraginėmis E. coli (EHEC). Retais atvejais (dažniausiai vaikams ir senoliams) šiga toksiną gaminančių E. coli infekcija gali sukelti hemolitinį-ureminį sindromą (HUS). Šiga toksinas sukelia ankstyvą raudonųjų kraujo kūnelių žūtį, dėl kurios užsikiša kūno filtravimo sistemos, inkstai, gali visiškai sutrikti jų veikla ir infekcija gali būti mirtina.
2011 m gegužę vienas enterohemoraginės E. coli serotipas, O104:H4, buvo bakterinės epidemijos prasidėjusios Vokietijoje priežastis. Ši epidemija prasidėjo kuomet keletas žmonių Vokietijoje užsikrėtė enterohemoragine E. coli (EHEC) ir infekcija sukelė hemolitinį-ureminį sindroma (HUS), kuris reikalauja skubaus gydymo. Epidemija išplito į mažiausia 15 šalių įskaitant Šiaurės Amerikos regioną.  
Uropatogeniškos E. coli (UPEC) yra vienos pagrindinių šlapimo takų infekcijų sukėlėjų. Jos yra įprasta žarnyno mikrobiotos dalis ir per išmatas gali lengvai patekti į šlapimo takus.   UPEC E. coli patekę į šlapimo takus sugeba įveikti epitelinį barjerą ir sudaryti viduląstelines bakterines bendruomenes. UPEC infekcija ypač dažna moterims. Beveik pusė moterų per savo gyvneimą bent kartą suserga šlapimo takų infekcija, o 20-30 % moterų kenčia nuo pasikartojančių cistito epizodų kas 3-4 mėnesius.  UPEC Infekcijos gali turėti komplikacijų, ypač nėščioms moterims, o perdavus bakterijas naujagymiams gali sukelti sepsį. 
E. coli taip pat yra dažniausia gram-neigiama bakterija sukelianti nuajagimių meningitą. E. coli padermės turinčios K1 kapsulės polisacharidą dominuoja tokiose infekcijose. E. coli K1 sugeba įveikti kraujo-smegenų barjerą ir prasiveržti į centrinę nervų sistemą. Daugindamosis jos išskiria toksinius junginius, kurie sukelia uždegimą, kuris padidina kraujo-smgenų barjero pralaidumą ir baltieji kraujo kūneliai patekę į smegenis sukelia meningitą. 
E. coli dažniau atsparios nuo seno žmonių gydymui ir veterinarijoje naudojamiems antibiotikams, tokiems kaip ampicilinas. Tačiau, pastaruosius du dešimtmečius pradėjo plisti daugiavaisčio atsparumo padermės, atsparios naujesniems antibiotikams įskaitant fluorochinolonus ir išplėsto spektro cefalosporinus.

Modelinis organizmas gyvybės mokslų tyrimams

E. coli nuo seno kultyvuojama laboratorijose ir lengvai manipuliuojama, todėl turi svarbų vaidmenį moderniuose gyvybės moksluose, bioinžinerijoje ir industrinėje mikrobiologijoje. Stanley Norman Cohen ir Herbert Boyer darbai su E. coli, kuriuose jie panaudojo plazmides ir restrikcijos fermentus sukurti rekombinantinę DNR, tarpo biotechnologijos pagrindu.
E. coli yra įprastas šeimininkas ivairioms baltymų raiškos sistemoms, kuriomis gaminami rekombinantiniai baltymai. Naudojant plazmidinius vektorius mokslininkai gali įterpti genus, kurie leidžia tirti šių genų savybes, išskirti ir tirti baltymus, bei gaminti didelius kiekius norimų baltymų industriniams tikslams. Vienas pirmų rekombinantinės DNR technologijos panaudojimų buvo E. coli modifikacija skirta gaminti žmogaus insuliną.