大腸桿菌是重要的模式生物，在高中生物學(xué)中有.多處知識(shí)涉及到，如原核生物的基本結(jié)構(gòu)與分裂、T2’噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)、基因工程常見(jiàn)運(yùn)載體、大腸桿菌的鑒定、微生物的酶合成調(diào)節(jié)等。這些知識(shí)涉及點(diǎn)多，分布零散，缺乏系統(tǒng)性，下面就大腸桿菌的基本知識(shí)作簡(jiǎn)要概述。

1 認(rèn)識(shí)大腸桿菌的基本歷程

大腸桿菌是大腸埃希氏菌的俗稱，屬腸桿菌科埃希氏菌屬，1885年埃舍利希氏首次發(fā)現(xiàn)。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，人們一直把它當(dāng)作正常腸道菌群的組成部分，認(rèn)為是非致病菌。直到20世紀(jì)中葉，才認(rèn)識(shí)到一些特殊血清型的大腸桿菌對(duì)人和動(dòng)物有病原性，尤其對(duì)嬰兒和幼禽，常引起嚴(yán)重腹瀉和敗血癥。根據(jù)不同的生物學(xué)特性，將致病性大腸桿菌分為5類(lèi):致病性大腸桿菌(EPEC)、腸產(chǎn)毒性大腸桿菌(ETEC)、腸出血性大腸桿菌(EHEC)、腸侵襲性大腸桿菌(EIEC)、腸黏附性大腸桿菌(EAEC)。

2 大腸桿菌的基本結(jié)構(gòu)

2.1 細(xì)胞壁

大腸桿菌的細(xì)胞壁厚約11μm，分外膜和肽聚糖層。外膜是大腸桿菌細(xì)胞壁的主要成分，占細(xì)胞壁干重80%，位于肽聚糖層的外側(cè)，主要由磷脂、蛋白質(zhì)和脂多糖組成。脂多糖是革蘭氏陰性細(xì)菌的內(nèi)毒素，也是革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁的特有成分，主要與抗原性、致病性及對(duì)噬菌體的敏感性有關(guān)。肽聚糖層由1—2層網(wǎng)狀的肽聚糖組成，占細(xì)胞壁干重的10%，是細(xì)菌特有的成分，由聚糖鏈、短肽和肽橋三部分組成。由，脂蛋白將外膜和肽聚糖層連接起來(lái)，從而使大腸桿菌的細(xì)胞壁形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

2.2 細(xì)胞膜

大腸桿菌的細(xì)胞膜與其他生物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)相似，但上面的蛋白質(zhì)含量高、種類(lèi)多，具有選擇透性，可控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。大腸桿菌的細(xì)胞膜含有豐富的酶系，是大腸桿菌的能量轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，參與細(xì)胞壁的合成。

2.3 細(xì)胞質(zhì)

大腸桿菌的細(xì)胞質(zhì)含有糖原顆粒、核糖體和質(zhì)粒等結(jié)構(gòu)。

2.3.1 核糖體

大腸桿菌的核糖體包含兩個(gè)亞基，即50S亞基(23S rRNA、5S rRNA、34種蛋白質(zhì))和.30S亞基[16SrRNA、21種蛋白質(zhì)(S₁～S₂₁)]。rpsL基因就是表達(dá)核糖體30S亞基中的S₁₂蛋白質(zhì)，S₁₂蛋白作用于翻譯的開(kāi)始階段。鏈霉素等抗生素的作用位點(diǎn)就是核糖體30S亞基上的S₁₂蛋白質(zhì)，正常情況卞鏈霉素與S₁₂:蛋白結(jié)合使蛋白質(zhì)的生物合成不能進(jìn)行，野生型大腸桿菌不再生長(zhǎng)。但rpsL基因的突變使鏈霉素失去結(jié)合位點(diǎn)，從而使該基因型的菌株具有了對(duì)鏈霉素的抗性(Str⁺)。

2.3.2 質(zhì)粒

質(zhì)粒具有自我復(fù)制的特性，不同質(zhì)粒的基因能與擬核基因發(fā)生基因重組，可通過(guò)細(xì)菌的接合而轉(zhuǎn)移，也可隨細(xì)胞的分裂而傳遞或丟失。由于質(zhì)粒具有這些特性，所以在分子生物學(xué)和遺傳工程中質(zhì)粒經(jīng)常作為外源基因的載體。大腸桿菌中已發(fā)現(xiàn)的質(zhì)粒有F因子、R因子和Col因子等。

2.3.2.1 F因子

F因子又稱致育因子，是最早發(fā)現(xiàn)的質(zhì)粒，含3個(gè)主要基因群，分別具有插入、復(fù)制和轉(zhuǎn)移的功能。含有F因子的大腸桿菌為雄性，用F⁺表示;不含F(xiàn)因子的大腸桿菌稱為雌性，用F^-表示。通過(guò)F⁺和F^-細(xì)菌的接合F因子可經(jīng)性菌毛傳遞給P菌株，使F^-菌株轉(zhuǎn)變?yōu)镕⁺菌株。F因子可單獨(dú)存在，也可以通過(guò)同源重組整合到細(xì)菌的擬核上。

2.3.2.2 R因子

R因子由相連的兩個(gè)DNA區(qū)段組成:一個(gè)為抗性轉(zhuǎn)移因子，它含有調(diào)節(jié)DNA復(fù)制和拷貝數(shù)的基因、轉(zhuǎn)移基因及四環(huán)素抗性基因;另一個(gè)為抗性決定因子，其上含有青霉素、氨芐青霉素、氯霉素、鏈霉素和磺胺等抗性基因。

2.3.2.3 Col因子

Col因子即產(chǎn)大腸桿菌素因子。它編碼合成大腸桿菌素，大腸桿菌素的化學(xué)成分為脂多糖蛋白質(zhì)復(fù)合物，它能通過(guò)抑制復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯或能量代謝而專(zhuān)一性地殺死不含Col因子的其他腸道細(xì)菌。

2.4 擬核

擬核由RNA、蛋白質(zhì)和超螺旋環(huán)狀DNA組成，主要基因位于這條環(huán)狀DNA上。

2.5 特殊結(jié)構(gòu)

2.5.1 莢膜

莢膜由大腸桿菌向細(xì)胞壁外分泌的一層膠狀物，主要由多糖組成，具有抗原性，構(gòu)成了大腸桿菌的表面抗原，即K抗原。

2.5.2 鞭毛與菌毛

鞭毛由鞭毛蛋白組成，構(gòu)成了細(xì)菌的鞭毛抗原，與運(yùn)動(dòng)有關(guān)。若將大腸桿菌穿刺接種于半固體培養(yǎng)基，它將沿穿刺線向周嗣擴(kuò)散生長(zhǎng)。在細(xì)胞表面還含有一種比鞭毛更細(xì)更短更硬的絲狀體叫菌毛，可分為普通菌毛和性菌毛。普通菌毛吸附于動(dòng)植物、真菌以及各種細(xì)胞的表面，有的是噬菌體吸附的位點(diǎn);性菌毛是在F因子的控制下形成的，它是細(xì)菌接合的“工具”，通過(guò)性菌毛的接合，可在細(xì)菌之間傳遞質(zhì)粒或擬核基因等。

3 大腸桿菌的抗原和抵抗力

3.1 大腸桿菌的抗原

大腸桿菌的抗原可分為菌體抗原(0)、鞭毛抗原(H)和表面抗原(K)，后者有抗機(jī)體吞噬和抗補(bǔ)體的能力。根據(jù)菌體抗原的不同，可將大腸桿菌分為150多種類(lèi)型，其中有16個(gè)血清型為致病性大腸桿菌。

3.2 大腸桿菌的抵抗力

大腸桿菌對(duì)熱的抵抗力較其他腸道桿菌強(qiáng)。55℃加熱60min或60℃加熱15min仍有部分細(xì)菌存活;在自然界的水中可存活數(shù)周至數(shù)月，在溫度較低的糞便中存活更久;膽鹽、煌綠等對(duì)大腸桿菌有抑制作用;對(duì)磺胺類(lèi)、鏈霉素、氯霉素等敏感，但易耐藥，是由帶有R因子的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移而獲得的。

4 代謝與繁殖

4.1 產(chǎn)能代謝

大腸桿菌為兼性厭氧菌，其營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型為化能異養(yǎng)。呼吸類(lèi)型為:在有氧條件下進(jìn)行有氧呼吸產(chǎn)能;在無(wú)氧條件下進(jìn)行無(wú)氧呼吸和發(fā)酵產(chǎn)能，將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H₂和CO₂等多種產(chǎn)物，因此大腸桿菌既產(chǎn)酸又產(chǎn)氣。

4.2 生化反應(yīng)

由于大腸桿菌產(chǎn)生較多有機(jī)酸，加入甲基紅呈紅色。故大腸桿菌甲基紅反應(yīng)陽(yáng)性;大腸桿菌發(fā)酵葡萄糖不產(chǎn)生2，3-丁二醇，故大腸桿菌V.P.反應(yīng)為陰性。常用的伊紅一美藍(lán)乳糖培養(yǎng)基，用于鑒別飲用水和乳制品中是否存在大腸桿菌等細(xì)菌。如果有大腸桿菌，因其強(qiáng)烈分解乳糖而產(chǎn)生大量的混合酸，菌體帶H⁺，故菌落被染成深紫色，菌落表面帶有金屬光澤。

4.3 大腸桿菌的繁殖

早期分子生物學(xué)的研究主要以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)材料，揭示了許多生命的現(xiàn)象和規(guī)律。1953年，沃森和克里克提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型并設(shè)想DNA以半保留方式進(jìn)行復(fù)制;1958年梅塞爾森和斯塔爾以大腸桿菌為材料，證明了DNA半保留復(fù)制的有效性;1969年凱恩斯用放射自顯影技術(shù)證明了大腸桿菌環(huán)狀DNA的半保留復(fù)制。至20世紀(jì)70年代，大腸桿菌的復(fù)制過(guò)程已相當(dāng)清楚，為分子生物學(xué)的發(fā)展及認(rèn)識(shí)細(xì)胞分裂奠定了理論基礎(chǔ)。

5 大腸桿菌的培養(yǎng)與菌落形態(tài)

大腸桿菌合成代謝能力強(qiáng)，在含無(wú)機(jī)鹽、胺鹽、葡萄糖的普通培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好。最適生長(zhǎng)溫度為37℃，生長(zhǎng)溫度范圍為15-46℃。在有氧條件下生長(zhǎng)良好，最適生長(zhǎng)pH為6.8～8.0，范圍7.0～7.5，若pH值低于6.0或高于8.0則生長(zhǎng)緩慢。在普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂上生長(zhǎng)，表現(xiàn)為3種菌落形態(tài):①光滑型:菌落邊緣整齊，表面有光澤、濕潤(rùn)、光滑、呈灰色，在生理鹽水中容易分散;②粗糙型:菌落扁平、干澀、邊緣不整齊，易在生理鹽水中自凝;③黏液型:常為含有莢膜的菌株。

6 大腸桿菌與人類(lèi)和動(dòng)物的關(guān)系

大腸桿菌隨嬰兒哺乳進(jìn)入腸道，與人終身相伴，是人腸道中的正常棲居菌，為消費(fèi)者，其代謝活動(dòng)能抑制腸道內(nèi)分解蛋白質(zhì)的微生物生長(zhǎng)，減少蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物對(duì)人體的危害，還能合成維生素B和K及有殺菌作用的大腸桿菌素，與人是互利共生的關(guān)系。但若進(jìn)入膽囊、膀胱等處會(huì)引起炎癥;在衛(wèi)生不良的情況下，常隨糞便散布在周?chē)h(huán)境中(生活在體外則屬于分解者)，若在水和食品中檢出此菌，可認(rèn)為是被糞便污染的指標(biāo)，從而可能存在腸道病原菌。因此，大腸菌群數(shù)(或大腸菌值)常作為飲水和食物的衛(wèi)生學(xué)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(飲用水中大腸桿菌數(shù)不應(yīng)超過(guò)3個(gè)/L)。

當(dāng)前大腸桿菌給禽牧養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)的損失嚴(yán)重，由大腸桿菌導(dǎo)致的常見(jiàn)疾病有雞胚和雛雞早期死亡，禽類(lèi)和豬急性敗血癥、氣囊病、肉芽腫、心包炎、墜卵性腹膜炎及輸卵管炎，這些疾病正困擾著廣大養(yǎng)殖戶和獸醫(yī)工作者。

7 大腸桿菌在生物技術(shù)中的應(yīng)用

大腸桿菌繁殖速度快、代謝旺盛、遺傳背景清楚、培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單，是應(yīng)用于生物技術(shù)最廣泛、最成功的表達(dá)體系，常做高效表達(dá)的首選載體。例如，科學(xué)家們把人的胰島素基因送到大腸桿菌的細(xì)胞，使胰島素基因和大腸桿菌的遺傳物質(zhì)相結(jié)合獲得高效表達(dá)的工程菌。該工程菌不但能夠一代代的傳下去，而且后代的大腸桿菌也能生產(chǎn)胰島素了。