之前我們介紹了科研中用得最多的植物和動物，但是大家會不會想到細菌也是我們廣泛研究的對象，我們今天要講的就是用得非常非常廣泛的大腸桿菌（E. coli）。先上圖：

大腸桿菌不是一種稀罕物，它存在于我們每一個人的體內。它是我們腸道中十分重要的正常菌群，能夠提供我們自身合成不了的維生素K2。不過，它也有「使壞」的時候：當我們免疫力下降時，它就會成為機會致病菌，有可能引起我們腸道外的感染，比如敗血癥、泌尿道感染等；另一方面，有個別種類的大腸桿菌是有致病性的，能引起人類腸胃炎，導致腹痛、發熱、腹瀉等，在兒童中的癥狀甚至更為嚴重。不過總體來說，在正常條件下，那些無害種類的大腸桿菌與我們還是一個互惠共生的狀態。

早期大腸桿菌電鏡圖片

大腸桿菌是個啥？

大腸桿菌，顧名思義是一種直桿狀、棒狀的細菌，它大約長2微米，菌體直徑大約0.25至1微米，算是一種中等大小的桿菌了。它同時還是一種兼性厭氧的細菌，也就是說當有氧氣存在的時候它可以利用氧氣進行呼吸氧化，而當沒有氧氣的時候它則進行無氧發酵。這一點十分有利于它在腸道這種復雜環境中生存。

大腸桿菌對于營養的要求并不高，在我們實驗室培養的時候，利用那種最普通的瓊脂平板，在37℃進行過夜的培養，就能生長出2-3毫米的灰白色菌落。當然，它在人類腸道中的繁殖會更慢一些。

大腸桿菌的菌落（www.bacteriainphotos.com）

為什么叫“大腸桿菌”？

早在1885年，德國-奧地利籍的兒科醫生Theodor Escherich在健康人的糞便中發現了這種細菌，并將其命名為“普通大腸細菌”（Bacterium coli commune），因為它是在結腸（colon）中被發現的。但是后來，為了紀念Theodor Escherich醫生的偉大發現，科學家們重新定義并命名了該屬為Escherichia，所以大腸桿菌的分類學名字Escherichia coli便是這樣來的。

德國-奧地利籍的兒科醫生Theodor Escherich

一開始，人們也只是將大腸桿菌作為一種普通的腸道細菌所看待，誰也沒有想到它后來會在基因工程、生物能源、微生物工業以及模式生物研究中取得如此大的貢獻。而這一切的開創者歸屬于兩位美國科學家Stanley Norman Cohen和Herbert Boyer。

Stanley Norman Cohen的基因工程實驗室

在講兩位科學家和大腸桿菌結緣的故事之前，有必要先跟大家講解一下「質粒」。我們都知道，細菌作為原核生物，是沒有細胞核的，它的基因組DNA是一團單一的密閉環形DNA，上面含有的都是細菌生長必不可少的基因。然而質粒則不同，盡管都是環形DNA，但是質粒是細菌染色體之外的遺傳物質，存在于細胞質中。質粒上面含有的基因多是編碼像菌毛、毒素及耐藥性的產生等，因此并不是細菌生長所必要的，它所體現的更多是一種「加成」的作用。

Cohen當時正在研究細菌的質粒，而Boyer則對大腸桿菌中的一種限制性內切酶十分感興趣，這種酶可以識別特定的核苷酸序列，從而將核苷酸鏈從中間切斷。他們兩個人進行了合作，利用限制性內切酶重新組裝了一個質粒，并將這個質粒導入到了大腸桿菌中并成功表達了出來。1973年，他們把這一結果匯總成論文進行發表，也由此宣告了基因工程時代的來臨。

轉染了表達熒光蛋白質粒的大腸桿菌菌落（www.flickr.com/photos/cdepaz）

與我們有什么關系？

大家可能會覺得基因工程不過是科研上的事，與普通人的生活并沒有太大的聯系。事實上并不是。你可以想象嗎？它們就像是一個個小型的「生物工廠」，現代社會我們使用的醫用人胰島素、人干擾素、乙肝疫苗以及多種藥物等，絕大多數或者相當部分都是由大腸桿菌表達我們特定的外源基因而生產出來的，大大降低了這些物質原本生產的成本，也為醫學的發展做出了重要的貢獻。

大腸桿菌——微型生物工廠（EIDEARD）

除了基因工程之外，大腸桿菌作為模式生物在細菌生理及行為的研究上也有著不可代替的作用。實驗室中最常用到的是大腸桿菌的K12品系，在1997年的時候，科學家們就已經完成了對K12品系的全基因組測序。這一品系與正常的野生型大腸桿菌品系相比，已經失去了在腸道中生存的能力，但是卻十分適合進行實驗室研究及實驗室環境繁殖。最經典的是美國科學家Joshua Lederberg和Edward Tatum利用大腸桿菌K12，發現了細菌特有的接合現象。

這有點類似于有性生殖生物中的性別，其中含有F因子（一種可以表達性菌毛的質粒）的可以類比為「雄性菌」，沒有F因子的可以類比為「雌性菌」。「雄性菌」可以通過其上的性菌毛與「雌性菌」發生短暫的接合作用，這一短暫的接合當中，「雄性菌」會把這個F因子的質粒復制并轉移給「雌性菌」，從而使之也變成「雄性菌」。這一現象的發現也為我們進行不同菌種之間的遺傳物質交流等分子生物學及微生物遺傳學的研究，提供了一個非常好的方法。

最后，再為大家介紹一下大腸桿菌在生物能源方面的應用。傳統能源比如說像石油、煤炭等總會有用盡的一天，而對于發展它們的替代能源，科學家們也做了不少的研究。而在生物能源方面，大腸桿菌無疑是一個有重要戲份的角色。比如說Hiroyasu Yamamoto等在2011年通過基因改造，成功使大腸桿菌將植物中的糖轉化為與傳統柴油幾乎一樣的碳氫化合物，他們稱之為「生物柴油」；還有的團隊，比如說Pauli Kallio等科學家在2014年也同樣通過基因改造，使得大腸桿菌可以生產出丙烷，丙烷作為一種清潔能源，市場也十分的廣泛……

關于大腸桿菌的研究還有很多很多，誰也沒有想到這個原本只待在我們腸道里的小家伙，如今已經深度融入到了無論是醫學科研還是日常的生活及工業生產中，當然了，這或許也是它與人類之間的另一種方式的「互惠共生」。