E. coli ไม่ได้แย่เสมอไป—จริง ๆ แล้วเป็นฮีโร่วิจัยที่ไม่น่าจะเป็นไปได้

เราเคยได้ยินเกี่ยวกับ Escherichia coli (รู้จักกันดีในนาม E. coli ) เป็นเชื้อโรคที่น่ากลัวในข่าวภาคค่ำและเป็นความจริงที่ E. การระบาดของโรคโคไล เป็นภัยคุกคามด้านสาธารณสุขที่เป็นอันตราย แต่ขณะนี้คุณไม่เพียงแต่แบกของบางส่วนในลำไส้ของคุณเท่านั้น คุณยังติดหนี้จุลินทรีย์เหล่านี้อยู่จริง ๆ พวกมันเป็นรากฐานของวิทยาศาสตร์และการแพทย์สมัยใหม่ส่วนใหญ่

วิศวกรรม E. coli ผลิตส่วนประกอบ mRNA ของวัคซีน Pfizer COVID-19 เป็นต้น พวกเขายัง มีบทบาทในการพัฒนาและผลิต ของยาสำคัญหลายชนิด รวมถึง Taxol (เพื่อรักษามะเร็งหลายชนิด) และ certolizumab (เพื่อ รักษาโรคโครห์น)

นอกเหนือจากการดูแลสุขภาพ จุลินทรีย์ได้รับการออกแบบ เพื่อทำลายจุลินทรีย์ที่ไม่ใช่ วัสดุรีไซเคิลและส่วนประกอบหลักของผ้าโพลีเอสเตอร์ polyethylene terephthalate (PET) กลายเป็นวานิลลินเคมีที่มีประโยชน์สูงซึ่งมีหน้าที่ในการกลิ่นและรสชาติของเมล็ดวานิลลา สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวขนาดเล็ก ได้รับการฝึกฝนให้เรืองแสง เมื่อพวกมันพบกับ TNT ซึ่งเป็นร่องรอยทางเคมีของทุ่นระเบิด เพื่อให้ผู้จัดงานด้านมนุษยธรรม เพื่อตรวจจับวัตถุระเบิดและนำออกในที่สุด

มีคุณลักษณะสำคัญบางประการที่ส่งผลต่อ E. ความสำเร็จอันดุเดือดของ coli

อย่างแรก จุลินทรีย์จะเรียงลำไส้ของสัตว์เลือดอุ่น ดังนั้นจึงมีอยู่เสมอและไม่เคยขาดตลาด เนื่องจากมันเติบโตตามธรรมชาติที่อุณหภูมิของร่างกาย การเพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการจึงอยู่ที่ 37.4 องศาเซลเซียส (99.3 องศาฟาเรนไฮต์) ที่ไม่รุนแรง อี โคไล ยังไม่จู้จี้จุกจิกเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่กำลังเติบโตหรืออาหารของมัน มันสามารถเติบโตได้โดยมีหรือไม่มีออกซิเจน และจะกินอะไรก็ได้เพื่อเป็นเชื้อเพลิง บางทีที่สำคัญที่สุด E. coli ทำซ้ำในอัตราที่น่าประหลาดใจ เพิ่มเป็นสองเท่าทุก ๆ 20 นาที

แต่ไม่ใช่แค่นั้น E coli เหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานในห้องปฏิบัติการ—มีความพยายามร่วมกันในการให้ความสำคัญกับแบคทีเรียเหล่านี้

ในปี 1940 Max Delbruck นักฟิสิกส์ที่ได้รับการฝึกฝนมาจาก เยอรมนี มาถึงสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย และบังเอิญเจอ อี coli ถูกใช้เป็นสิ่งมีชีวิตจำลองในห้องปฏิบัติการที่อยู่ใกล้เคียง “สำหรับนักฟิสิกส์ที่สนใจจะไขความลึกลับของการจำลองแบบทางชีวภาพ ระบบที่บุคคลก่อให้เกิดลูกหลานหลายร้อยคนในเวลาไม่กี่นาทีจะต้องเป็นความฝันที่เป็นจริง” เขียน Roberto Kolter ศาสตราจารย์กิตติคุณด้านจุลชีววิทยาที่ Harvard Medical School แห่งการค้นพบของ Delbruck

หลังจากที่เขาสาธิตธรรมชาติแบบสุ่ม ของการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมโดยใช้ E. coli (การค้นพบที่เป็นรากฐานสำคัญของชีววิทยาสมัยใหม่) Delbruck เสนอสนธิสัญญาฟาจ เอกสารดังกล่าวขอให้นักวิจัยแบคทีเรียมุ่งมั่นที่จะทำงานกับสายพันธุ์เฉพาะของ E coli เพื่อสร้างมาตรฐานให้กับงานด้านแบคทีเรียวิทยาในระยะแรกและอนุญาตให้เปรียบเทียบการทดลองได้โดยตรงในห้องปฏิบัติการหลายแห่ง

“ด้วยการตัดสินใจว่าทุกคนจะมุ่งเน้นไปที่สิ่งมีชีวิตจำนวน จำกัด เป็นระบบแบบจำลองว่า ช่วยให้เรามีความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตที่เฉพาะเจาะจง” ไมเคิล โธมัส ศาสตราจารย์ด้านแบคทีเรียวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน กล่าว

จากที่นั่น การทดลองคลาสสิกกว่าสองทศวรรษได้ประสานเข้าด้วยกัน เครื่องจักรที่มีอยู่ภายใน E. เซลล์ coli เป็นเครื่องมือกลางในการแยกวิเคราะห์แนวคิดทางชีววิทยาพื้นฐาน บทบาทและธรรมชาติของ DNA ในฐานะสารพันธุกรรมเบื้องต้นได้รับการอธิบายไว้ใน E coli เช่นเดียวกับกลไกการจำลองดีเอ็นเอ

หลักการพื้นฐานของชีววิทยา—ที่ DNA แปลเป็น RNA ซึ่งแปลเป็นโปรตีน—ออกมาจาก อี การทดลอง coli เกิดขึ้นในปี 1960 “ไม่ว่าคุณจะเป็นนักชีวเคมี นักพันธุศาสตร์ นักประสาทวิทยา มีสิ่งหนึ่งที่เราทุกคนทำงานภายใต้ความเชื่ออย่างแรงกล้าว่า DNA สร้าง RNA ซึ่งสร้างโปรตีน และนั่นคือสิ่งที่ทำงาน” โทมัสอธิบาย “ชีววิทยา เมื่อเทียบกับฟิสิกส์หรือเคมี มันไม่ใช่วิทยาศาสตร์ที่สมบูรณ์ จนกระทั่งมันมากับกระบวนทัศน์นี้ในศตวรรษที่ 20 และ E. coli อยู่ตรงกลางเวที”

กับ E. coli ได้รับการจัดตั้งขึ้นอย่างมั่นคงว่าเป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบมาตรฐานสำหรับนักจุลชีววิทยา เครื่องมือคุณภาพที่มีเพื่อจัดการกับแบคทีเรียพุ่งสูงขึ้น บางทีสิ่งที่ส่งผลกระทบมากที่สุดคือ recombinant DNA (rDNA) ตัวอย่างเล็ก ๆ ของสารพันธุกรรมที่สามารถถ่ายทอดระหว่างสิ่งมีชีวิต เซลล์.

rDNA ช่วยให้นักวิจัยสามารถรวมยีนจากสปีชีส์ต่างๆ และแนะนำให้รู้จักกับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่ไม่ได้แสดงลักษณะเหล่านั้นโดยธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น ลักษณะเรืองแสงที่พัฒนาขึ้นในสายพันธุ์ของปลาสามารถถ่ายโอนไปยังเซลล์แบคทีเรียและแม้กระทั่งเซลล์ของมนุษย์ผ่านทาง rDNA รหัสพันธุกรรมเทียมมักถูกบรรจุเป็นชิ้นดีเอ็นเอทรงกลมที่เรียกว่าพลาสมิด

ในการตัดและวางพลาสมิดลงในรหัสพันธุกรรมที่มีอยู่ของสิ่งมีชีวิต จำเป็นต้องมีโปรตีนสองประเภท: เอ็นไซม์จำกัด ซึ่งตัด DNA ที่ตำแหน่งเฉพาะ และเอ็นไซม์เชื่อมต่อที่เรียกว่า ไลกาสซึ่งติดพลาสมิดเข้าที่ DNA ของโฮสต์ถูกหั่นเป็นชิ้นเปิด พลาสมิดถูกสอดเข้าไปในช่องว่าง และไลกาสซ่อมแซมบาดแผลที่เกิดจากเอ็นไซม์จำกัด เมื่อรวมเข้าด้วยกันเรียบร้อยแล้ว สิ่งมีชีวิตที่เป็นโฮสต์จะแสดงยีนที่เข้ารหัสบนพลาสมิดราวกับว่ามันอยู่ที่นั่นเสมอ

พลาสมิดถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกับ จ. coli ซึ่งมีห้องสมุดลำดับดีเอ็นเอที่มีอยู่แล้วและเตรียมไว้สำหรับนักวิจัยในการซื้อ ในช่วงแรกๆ ห้องปฏิบัติการจะเขียนพลาสมิดดั้งเดิมตั้งแต่ต้นเพื่อให้เข้ากับโครงการเฉพาะของพวกเขา แต่ “ด้วยการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในเชิงพาณิชย์” โคลเตอร์กล่าว พลังของการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมสามารถเข้าถึงได้อย่างที่เคยเป็นมา

เทคโนโลยีพลาสมิดเป็นศูนย์กลางในกระบวนการผลิตวัคซีนไฟเซอร์ mRNA ลำดับที่รหัสสำหรับโปรตีนขัดขวาง coronavirus ถูกแทรกเข้าไปใน E. เซลล์ coli ซึ่งเติบโตและสร้างสำเนาของลำดับ DNA จำนวนมากที่มีอยู่ในพลาสมิดดั้งเดิม จากนั้น DNA ที่คัดลอกมาจะถูกแยกออกจาก E เซลล์ coli และถ่ายโอนไปยังสิ่งอำนวยความสะดวกอื่นเพื่อคัดลอกไปยัง mRNA ที่มีอยู่ในช็อตจริง

ในขณะที่ E. coli เป็นผู้สนับสนุนหลักในจุลชีววิทยาในระยะแรกและยังคงมีบทบาทสำคัญในการวิจัยทางชีววิทยาหลายรูปแบบในปัจจุบัน ซึ่งไม่ได้หมายความว่าสิ่งมีชีวิตต้นแบบที่ “สมบูรณ์แบบ” แต่อย่างใด ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียนั้นง่ายเกินไปที่จะเป็นแบบอย่างที่ดีสำหรับเซลล์ของมนุษย์

ถึงแม้ว่าเมื่อตรวจสอบระบบที่ซับซ้อนมากขึ้น Thomas กล่าวว่า E. coli เป็นขั้นตอนแรกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับพันธุวิศวกรรม การทดสอบสารสีน้ำเงินว่าการเปลี่ยนแปลงที่เสนอจะใช้ได้กับแบคทีเรียธรรมดาหรือไม่ก่อนที่จะได้รับการส่งเสริมให้เป็นโฮสต์ที่ซับซ้อนมากขึ้น ไม่ว่าห้องปฏิบัติการจะพยายามผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพบางชนิด สารเคมี ยาปฏิชีวนะ หรือเอนไซม์เฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่ง ขั้นตอนแรกสุดคือดูว่าสามารถผลิตได้ใน E หรือไม่ โคไล.

“ความเร็วมีประโยชน์อย่างมาก คุณสามารถถามได้ว่าสมมติฐานของคุณถูกต้องเร็วกว่าที่คุณสามารถทำได้กับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ หรือไม่” เขาอธิบาย “เนื่องจากพวกมันเติบโตอย่างรวดเร็ว คุณจึงสามารถจัดการพวกมันได้อย่างง่ายดายเพื่อเปรียบเทียบ” ด้วยประวัติอันยาวนานของพวกเขาในฐานะส่วนสำคัญของการวิจัยทางชีววิทยา E. coli จะยังคงถูกใช้ในห้องปฏิบัติการต่อไปอีกหลายทศวรรษ ประโยชน์ใช้สอยของสิ่งมีชีวิตตัวเล็ก ๆ นี้ไม่ได้หมดไปอย่างแน่นอน แม้จะอยู่ในความสนใจมานานก็ตาม