人體，嚴格意義上來講其實是微生物與人體自身構成的一個復雜組合體。微生物與人體自身細胞的比例高達9：1，在這數以億計的微生物中，消化道菌群占據著重要的一部分。

說起消化道菌群，不得不聊聊其中的大腸桿菌（Escherichia coli，E．coli，大腸埃希氏菌）。它于1885年被德國奧地利籍兒科醫(yī)生Theodor Escherich發(fā)現，并將其命名為“普通大腸細菌”（Bacterium coli commune）。

1919年，在發(fā)現34年之后，為了紀念Escherich，科學家們正式將埃希氏菌屬 Escherichia作為大腸桿菌的屬名，其名稱Escherichia coli和簡寫E．coli也開始出現在教科書和文獻中。

關于大腸桿菌不同菌株的全部信息 圖源OpenWetWare網站

大腸桿菌，數次諾獎的功臣

人體在正常情況下與大腸桿菌是一種互惠共生的關系，大腸桿菌對維持腸胃功能穩(wěn)定具有重要作用。它能夠抑制腸道中的用于分解蛋白質的維生素的生長情況，并減少蛋白質的分解。大腸桿菌還能夠在身體中形成維生素B和維生素K，這兩項維生素可以幫助身體的腸胃功能維持正常，促進腸胃道新陳代謝。

但是當人體免疫機能下降，腸胃道菌群（如大腸桿菌）失調時。大腸桿菌則會引起胃腸道感染、尿道感染、關節(jié)炎、腦膜炎以及敗血型感染等疾病。

大腸桿菌的功能不局限與人體自身的新陳代謝，在基因工程、生物能源、微生物工業(yè)以及模式生物研究有更廣泛的應用。至今已有多項諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了利用大腸桿菌進行研究的科學家。

這些研究包括1958年因發(fā)現細菌遺傳物質的基因重組和組織獲獎的Joshua Lederberg；1978年因發(fā)現 DNA 限制酶及其在分子遺傳學上的應用獲獎的Wemer Arber等人；1980年因研究出DNA（脫氧核糖核酸）重組體技術獲獎的Paul Berg 等人；2015年因DNA修復的機制研究獲獎的Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar等。

小小的大腸桿菌就有如此多的科研貢獻，那么它是從何而來呢？難道直接用人體內、動物體內代謝產生的大腸桿菌來做實驗嗎？當然是需要專業(yè)的細胞工廠來大規(guī)模生產更適用的商業(yè)用大腸桿菌。

Scarab，獲全球范圍內簡化基因組技術專利授權

Scarab Genomics．LLC（簡稱：Scarab），成立于2002年，位于美國麥迪遜威斯康星州。

該公司是由威斯康星大學遺傳學家Fred Blattner組建的一家私營公司。其主要業(yè)務范圍是將清潔基因組（Clean Genome）多重刪除系列（Multiple Deletion Series，MDS）大腸桿菌商業(yè)化，該業(yè)務所用技術是由Fred Blattner博士在威斯康星大學麥迪遜分校時研究產生。Scarab也因此在威斯康星州校友研究基金會獲得了專利授權的全球范圍內簡化基因組技術。

Scarab通過刪除超過15％的K－12基因組，對大腸桿菌進行生物工程改造。使用合成生物學方法，進行精確的刪除，包括消除不必要的基因、重組和可移動的DNA以及隱性的有毒基因，優(yōu)化大腸桿菌菌株的生產，提供遺傳穩(wěn)定性更強、代謝效率更優(yōu)的大腸桿菌。

與傳統的常用大腸桿菌相比，清潔基因組大腸桿菌菌株在實驗室克隆，質粒DNA產生和重組蛋白表達方面具有如下獨特的優(yōu)勢：減少宿主介導的重組不可克隆性、缺少IS元素可保持克隆完整性、基因組減少編輯更簡潔、生長密度更高產量更高等優(yōu)點。

五個系類，17種產品，四個應用領域

Scarab利用清潔基因組大腸桿菌技術開發(fā)出了五個系類的產品，這五個系列分別為載體蛋白系列、化學感受態(tài)細胞系列、電感受態(tài)細胞系列、IS（插入序列）檢測系列以及蛋白表達系統系列，產品類別達17種。

五個系列17種產品

這些產品大致被應用于四個領域：

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無質粒生產

由于解決了低抗原性問題，質粒DNA疫苗（pDNA）受到關注。這些疫苗因其快速的開發(fā)周期，溫度穩(wěn)定性和通過大腸桿菌發(fā)酵的廉價生產而備受吸引。但是，傳統的大腸桿菌菌株在其基因組中包含可移動的DNA元素，其中包括多達65個插入序列（IS）和多達11種部分缺陷的噬菌體。

噬菌體和IS元件均可在生產過程中被激活，從而導致不一致的發(fā)酵結果。IS元件還可以轉座到質粒產物中，改變治療劑的序列和功能，導致細菌IS元素可能在給藥后進入哺乳動物基因組。通過在pDNA生產的所有步驟中使用大腸桿菌的多個缺失菌株（MDS）可消除這些問題。將這些菌株經過精確設計，即可去除所有噬菌體和轉座序列。

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蛋白表達

重組蛋白的用途廣泛，包括診斷或疾病治療或在工業(yè)過程中使用。重組蛋白生產則是生命科學中使用的最強大的技術之一。

重組蛋白的表達看起來直截了當：將編碼所需蛋白的DNA克隆到表達載體中啟動子的下游。將該克隆導入宿主細胞，細胞合成產生所需的蛋白質。但實際上，蛋白質表達非常具有挑戰(zhàn)性，該過程易受多種因素影響。

Scarab公司的ScarabXpress產品則可提供任何給定目標蛋白更高的表達水平。它可以實現更嚴格的表達控制，這對于有害于宿主的周質表達靶標和“毒性”靶標非常有用。在使用相同測試蛋白的并排比較中，ScarabXpress2產生的測試蛋白比大腸桿菌BL21（DE3）多29－36倍和3000倍的誘導范圍。

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克隆

現代生命科學依靠生物體基因組的分子操縱來研究單個目標基因。由于DNA的結構是同一物種，因此可以將一個基因剪切粘貼到另一個生物中，表達改進后的基因。通常，克隆是指起源生物以外的生物復制DNA，DNA克隆涉及復制，修飾和擴增目的DNA�？寺∫殉蔀榉肿由�物學的基礎，具有廣泛的應用，包括單個基因的分離，改良基因的表達與制備，蛋白質生產等。

Scarab公司關于這一領域的產品具有如下優(yōu)點：3000倍歸納范圍，可最大程度地優(yōu)化目標的表達水平；基礎表達小，降低對宿主產生不良影響的靶標基因或周質表達靶標；產量高，與野生型大腸桿菌菌株的標準表達載體相比，可實現高達36倍的目標產量；ScarabXpress?－2系統與任何清潔基因組大腸桿菌菌株兼容。

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逆轉錄病毒，慢病毒和shRNA載體的生產

在pDNA生產中遇到的一個常見挑戰(zhàn)是莖環(huán)DNA結構的存在，例如病毒長末端重復序列（LTR）或短發(fā)夾RNA（shRNA），它們難以復制并且不穩(wěn)定。清潔基因組大腸桿菌可顯著提高pDNA載體生產低及不穩(wěn)定的能力。

同樣，衍生自腺相關病毒（AAV）的載體帶有兩個反向重復序列，形成40 bp莖。在末端，另外兩個9bp的莖分支進一步終止于環(huán)結構。這兩個莖環(huán)本身包含直接重復序列，當在標準大腸桿菌宿主中生長時，這些重復序列特別容易缺失。

Scarab公司使用腺相關病毒pT－ITR－IL2載體，將其轉化到MDS?42和未還原的親本菌株大腸桿菌中。這種具有極端二級結構的清潔基因組大腸桿菌可解決不穩(wěn)定的生物治療性pDNA生產問題。

不斷有新發(fā)現，大腸桿菌還可用于生產環(huán)保尼龍、蛋白質

Scarab通過以上五個系類四個應用領域的產品，其產品遠銷海外。這種情況得益于大腸桿菌產品的廣泛市場使用范圍，在分子生物學、細胞生物學、細菌學、遺傳學、免疫學、生物化學、蛋白質學、細胞療、臨床應用等領域均有大腸桿菌產品的應用。

去年10月，湖北大學李愛濤教授團隊利用人工生物合成途徑，通過使用生物催化劑、空氣中的氧為氧化劑，在常溫常壓下水溶液中即可完成尼龍重要的中間產物己二酸的制備。該技術將用于制造綠色無污染的尼龍。同期，合成生物學公司AbSci利用其大腸桿菌表達平臺 “SoluPro” 來大量生產蛋白質（包括全長抗體、胰島素等），該平臺可在極高的滴度下生成可溶的、正確折疊的蛋白。

未來，大腸桿菌將會帶來越來越多的應用，為生物經濟時代的到來注入一份力量。

作者：周秋寒