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我们习惯于听到大肠杆菌(更简单地知道大肠杆菌)作为一种可怕的病原体出现在夜间新闻中,这是真的大肠杆菌疫情是对公共卫生的危险威胁。但现在你的肠道中不仅携带着一些微生物,实际上你还欠这些微生物的债——它们是现代科学和医学的基础。

工程师大肠杆菌产生辉瑞新冠疫苗的mRNA成分, 例如。他们也在开发和制造中发挥作用多个重要药物,包括紫杉醇(治疗多种癌症)和exterizumab(治疗Crohn病)。

除了医疗,微生物已经设计成将一种常见的不可回收材料和聚酯织物的主要成分聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)分解成高用途的化学香兰素,它负责香草豆的气味和味道。微小的单细胞生物甚至被训练得容光焕发当他们遇到TNT的地雷化学痕迹时,使人道主义组织者能够发现爆炸物并最终删除它们。

有几个关键的属性促成了大肠杆菌野生的成功。

首先,微生物线的肠道的肠道,所以它始终可用,从未供应过。由于它在体温下生长,因此实验室培养物保持在温和的37.4摄氏度(99.3华氏度)。大肠杆菌也没有挑剔的环境环境,也没有膳食 - 它可以在没有氧气的情况下生长,并且会在任何东西上吃任何东西。也许最重要的是,大肠杆菌以惊人的速度再现,每20分钟加倍。

但这不仅仅是这样大肠杆菌自然是实验室工作的理想选择——人们一致致力于研究这些细菌。

20世纪40年代,来自德国的物理学家马克斯·德尔布鲁克(Max Delbruck)来到加州理工学院(California Institute of Technology),无意中发现了这一点大肠杆菌被用作邻近实验室的模型生物。“对于一个有兴趣解开生物复制的奥秘的物理学,一个人在几分钟内得到了一个人的父母的系统,必须是一个梦想成真,”写Roberto Kolter.他对德尔布鲁克的发现发表了评论。

在他展示了遗传突变的随机性之后使用大肠杆菌(发现是现代生物学的基石),Delbruck提出了噬菌体条约。该文件要求细菌研究人员承诺使用特定的菌株大肠杆菌为了标准化早期的细菌学工作并允许在多个实验室中直接进行实验。

[有关的:喜爱污垢的细菌可以拯救无价的艺术品

威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的细菌学教授迈克尔·托马斯(Michael Thomas)说:“通过决定每个人都将关注有限数量的有机体作为模型系统,这有助于我们详细了解特定的有机体。”

从那里,二十年的经典实验巩固了内部的机器大肠杆菌细胞作为解析基本生物概念的中心工具。作为初级遗传物质的DNA的作用和性质阐明大肠杆菌,也是DNA复制的机制。

生物学的基本原则 - DNA转化为RNA,转化为蛋白质 - 出来大肠杆菌在20世纪60年代完成的实验。“无论你是生物化学师,一种神经生物学家遗传学家,我们都有一件事,我们都在运作,一种强烈的信念,即DNA使得蛋白质的RNA。这就是事情的作用,“托马斯解释道。“与物理学或化学相比,生物学并不是一个成熟的科学,直到它在20世纪的这个范式上升,而且大肠杆菌就在舞台中央。”

大肠杆菌作为微生物学家的标准生物模型,可用于操纵细菌的质量工具急剧增加。也许最有影响的是重组DNArDNA是一种遗传物质的小片段,可以在活细胞之间转移。

rDNA使研究人员能够将来自不同物种的基因结合起来,并将它们引入其他不能自然表达这些特征的生物体中。例如,一种鱼类进化出的荧光特性可以通过rDNA转移到细菌甚至人类细胞中。人工遗传密码通常被包装成一个圆形的DNA片段,称为质粒。

要将质粒剪切并粘贴到生物体的现有遗传密码中,需要两种蛋白质:一种是限制性内切酶,它在特定的位置剪断DNA;另一种是连接酶,它将质粒粘在合适的位置上。宿主DNA被切开,质粒被插入缺口,连接酶修复限制性内切酶造成的缺口。当成功整合后,宿主生物现在将表达编码在质粒上的基因,就像它一直存在一样。

如今,质粒如此广泛使用,特别是结合使用大肠杆菌,可以购买预先存在和准备的DNA序列的整个图书馆用于购买的研究人员。在早期,实验室将从划痕中撰写原有的质粒,以匹配他们的特定项目,但“随着科学研究的商业化”,遗传转型的力量与遗传转型一样。

质粒技术是辉富先生MRNA疫苗的制造过程的核心。将冠状病毒穗蛋白的序列插入其中大肠杆菌细胞,它们生长并产生原质粒中包含的DNA序列的许多副本。然后将复制的DNA从大肠杆菌然后转移到另一个设备,转录到实际注射的mRNA中。

尽管大肠杆菌是早期微生物学的关键贡献者,并在今天的多种形式的生物学研究中继续发挥关键作用,它绝不是“完美的”模式有机体。例如,细菌过于简单,无法成为人类细胞的良好模型。

即使在检查更复杂的系统时,托马斯说大肠杆菌是基因工程中被广泛使用的第一步,它是一种试金石,检验所提议的改变在推广到更复杂的宿主之前是否能在简单的细菌中起作用。无论实验室是试图生产某种生物燃料、化学物质、抗生素还是一种特定的酶,第一步都是看它能否被生产出来大肠杆菌

他解释说:“速度有一个主要的好处,你可以比其他生物更快地询问你的假设是否正确。”“因为它们长得很快,你可以很容易地操纵它们,给你一个比较。”作为生物学研究的一个组成部分,它们有着广泛的历史,大肠杆菌将在未来几十年继续在实验室中使用。尽管这种微小生物体长期处于聚光灯下,但它的效用肯定还没有用尽。

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