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人體，嚴(yán)格意義上來講其實是微生物與人體自身構(gòu)成的一個復(fù)雜組合體。微生物與人體自身細胞的比例高達9：1，在這數(shù)以億計的微生物中，消化道菌群占據(jù)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(xiàn)，并將其命名為“普通大腸細菌”（Bacterium coli commune）。

1919年，在發(fā)現(xiàn)34年之后，為了紀(jì)念Escherich，科學(xué)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(xiàn)在教科書和文獻中。

關(guān)于大腸桿菌不同菌株的全部信息 圖源OpenWetWare網(wǎng)站

大腸桿菌，數(shù)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(guān)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(zhì)的維生素的生長情況，并減少蛋白質(zhì)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(dāng)人體免疫機能下降，腸胃道菌群（如大腸桿菌）失調(diào)時。大腸桿菌則會引起胃腸道感染、尿道感染、關(guān)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(yīng)用。至今已有多項諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了利用大腸桿菌進行研究的科學(xué)家。

這些研究包括1958年因發(fā)現(xiàn)細菌遺傳物質(zhì)的基因重組和組織獲獎的Joshua Lederberg；1978年因發(fā)現(xiàn) DNA 限制酶及其在分子遺傳學(xué)上的應(yīng)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(shù)獲獎的Paul Berg 等人；2015年因DNA修復(fù)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(nèi)、動物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的大腸桿菌來做實驗嗎？當(dāng)然是需要專業(yè)的細胞工廠來大規(guī)模生產(chǎn)更適用的商業(yè)用大腸桿菌。

Scarab，獲全球范圍內(nèi)簡化基因組技術(shù)專利授權(quán)

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(xué)遺傳學(xué)家Fred Blattner組建的一家私營公司。其主要業(yè)務(wù)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(wù)所用技術(shù)是由Fred Blattner博士在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校時研究產(chǎn)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(quán)的全球范圍內(nèi)簡化基因組技術(shù)。

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(xué)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(chǎn)，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(tǒng)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(zhì)粒DNA產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)量更高等優(yōu)點。

五個系類，17種產(chǎn)品，四個應(yīng)用領(lǐng)域

Scarab利用清潔基因組大腸桿菌技術(shù)開發(fā)出了五個系類的產(chǎn)品，這五個系列分別為載體蛋白系列、化學(xué)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(tǒng)系列，產(chǎn)品類別達17種。

五個系列17種產(chǎn)品

這些產(chǎn)品大致被應(yīng)用于四個領(lǐng)域：

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無質(zhì)粒生產(chǎn)

由于解決了低抗原性問題，質(zhì)粒DNA疫苗（pDNA）受到關(guān)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(chǎn)而備受吸引。但是，傳統(tǒng)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(chǎn)過程中被激活，從而導(dǎo)致不一致的發(fā)酵結(jié)果。IS元件還可以轉(zhuǎn)座到質(zhì)粒產(chǎn)物中，改變治療劑的序列和功能，導(dǎo)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(chǎn)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(jīng)過精確設(shè)計，即可去除所有噬菌體和轉(zhuǎn)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(chǎn)則是生命科學(xué)中使用的最強大的技術(shù)之一。

重組蛋白的表達看起來直截了當(dāng)：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(dǎo)入宿主細胞，細胞合成產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)。但實際上，蛋白質(zhì)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(chǎn)品則可提供任何給定目標(biāo)蛋白更高的表達水平。它可以實現(xiàn)更嚴(yán)格的表達控制，這對于有害于宿主的周質(zhì)表達靶標(biāo)和“毒性”靶標(biāo)非常有用。在使用相同測試蛋白的并排比較中，ScarabXpress2產(chǎn)生的測試蛋白比大腸桿菌BL21（DE3）多29－36倍和3000倍的誘導(dǎo)范圍。

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克隆

現(xiàn)代生命科學(xué)依靠生物體基因組的分子操縱來研究單個目標(biāo)基因。由于DNA的結(jié)構(gòu)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(fù)制DNA，DNA克隆涉及復(fù)制，修飾和擴增目的DNA�？寺∫殉蔀榉肿由�物學(xué)的基礎(chǔ)，具有廣泛的應(yīng)用，包括單個基因的分離，改良基因的表達與制備，蛋白質(zhì)生產(chǎn)等。

Scarab公司關(guān)于這一領(lǐng)域的產(chǎn)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(biāo)的表達水平；基礎(chǔ)表達小，降低對宿主產(chǎn)生不良影響的靶標(biāo)基因或周質(zhì)表達靶標(biāo)；產(chǎn)量高，與野生型大腸桿菌菌株的標(biāo)準(zhǔn)表達載體相比，可實現(xiàn)高達36倍的目標(biāo)產(chǎn)量；ScarabXpress?－2系統(tǒng)與任何清潔基因組大腸桿菌菌株兼容。

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逆轉(zhuǎn)錄病毒，慢病毒和shRNA載體的生產(chǎn)

在pDNA生產(chǎn)中遇到的一個常見挑戰(zhàn)是莖環(huán)DNA結(jié)構(gòu)的存在，例如病毒長末端重復(fù)序列（LTR）或短發(fā)夾RNA（shRNA），它們難以復(fù)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(chǎn)低及不穩(wěn)定的能力。

同樣，衍生自腺相關(guān)病毒（AAV）的載體帶有兩個反向重復(fù)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(jié)構(gòu)。這兩個莖環(huán)本身包含直接重復(fù)序列，當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)大腸桿菌宿主中生長時，這些重復(fù)序列特別容易缺失。

Scarab公司使用腺相關(guān)病毒pT－ITR－IL2載體，將其轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)問題。

不斷有新發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌還可用于生產(chǎn)環(huán)保尼龍、蛋白質(zhì)

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

去年10月，湖北大學(xué)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(chǎn)物己二酸的制備。該技術(shù)將用于制造綠色無污染的尼龍。同期，合成生物學(xué)公司AbSci利用其大腸桿菌表達平臺 “SoluPro” 來大量生產(chǎn)蛋白質(zhì)（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(yīng)用，為生物經(jīng)濟時代的到來注入一份力量。

作者：周秋寒