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출처: Wikipedia
Escherichia coli (E. coli) is a Gram-negative, facultatively anaerobic, rod-shaped, coliform bacterium of the genus Escherichia that is commonly found in the lower intestine of warm-blooded organisms (endotherms). Most E. coli strains are harmless, but some serotypes can cause serious food poisoning in their hosts, and are occasionally responsible for product recalls due to food contamination. The harmless strains are part of the normal flora of the gut, and can benefit their hosts by producing vitamin K2, and preventing colonization of the intestine with pathogenic bacteria, having a symbiotic relationship. E. coli is expelled into the environment within fecal matter. The bacterium grows massively in fresh fecal matter under aerobic conditions for 3 days, but its numbers decline slowly afterwards. E. coli and other facultative anaerobes constitute about 0.1% of gut flora, and fecal–oral transmission is the major route through which pathogenic strains of the bacterium cause disease. Cells are able to survive outside the body for a limited amount of time, which makes them potential indicator organisms to test environmental samples for fecal contamination. A growing body of research, though, has examined environmentally persistent E. coli which can survive for extended periods outside a host. The bacterium can be grown and cultured easily and inexpensively in a laboratory setting, and has been intensively investigated for over 60 years. E. coli is a chemoheterotroph whose chemically defined medium must include a source of carbon and energy. E. coli is the most widely studied prokaryotic model organism, and an important species in the fields of biotechnology and microbiology, where it has served as the host organism for the majority of work with recombinant DNA. Under favorable conditions, it takes only 20 minutes to reproduce. Biology and biochemistry Type and morphology-E. coli is a Gram-negative, facultative anaerobic (that makes ATP by aerobic respiration if oxygen is present, but is capable of switching to fermentation or anaerobic respiration if oxygen is absent) and nonsporulating bacterium. Cells are typically rod-shaped, and are about 2.0 μm long and 0.25–1.0 μm in diameter, with a cell volume of 0.6–0.7 μm3. E. coli stains Gram-negative because its cell wall is composed of a thin peptidoglycan layer and an outer membrane. During the staining process, E. coli picks up the color of the counterstain safranin and stains pink. The outer membrane surrounding the cell wall provides a barrier to certain antibiotics such that E. coli is not damaged by penicillin. Strains that possess flagella are motile. The flagella have a peritrichous arrangement. It also attaches and effaces to the microvilli of the intestines via an adhesion molecule known as intimin. Metabolism-E. coli can live on a wide variety of substrates and uses mixed-acid fermentation in anaerobic conditions, producing lactate, succinate, ethanol, acetate, and carbon dioxide. Since many pathways in mixed-acid fermentation produce hydrogen gas, these pathways require the levels of hydrogen to be low, as is the case when E. coli lives together with hydrogen-consuming organisms, such as methanogens or sulphate-reducing bacteria. Culture growth-Optimum growth of E. coli occurs at 37℃ (98.6°F), but some laboratory strains can multiply at temperatures up to 49°C (120°F). E. coli grows in a variety of defined laboratory media, such as lysogeny broth, or any medium that contains glucose, ammonium phosphate, monobasic, sodium chloride, magnesium sulfate, potassium phosphate, dibasic, and water. Growth can be driven by aerobic or anaerobic respiration, using a large variety of redox pairs, including the oxidation of pyruvic acid, formic acid, hydrogen, and amino acids, and the reduction of substrates such as oxygen, nitrate, fumarate, dimethyl sulfoxide, and trimethylamine N-oxide. E. coli is classified as a facultative anaerobe. It uses oxygen when it is present and available. It can, however, continue to grow in the absence of oxygen using fermentation or anaerobic respiration. The ability to continue growing in the absence of oxygen is an advantage to bacteria because their survival is increased in environments where water predominates. Cell cycle-The bacterial cell cycle is divided into three stages. The B period occurs between the completion of cell division and the beginning of DNA replication. The C period encompasses the time it takes to replicate the chromosomal DNA. The D period refers to the stage between the conclusion of DNA replication and the end of cell division. The doubling rate of E. coli is higher when more nutrients are available. However, the length of the C and D periods do not change, even when the doubling time becomes less than the sum of the C and D periods. At the fastest growth rates, replication begins before the previous round of replication has completed, resulting in multiple replication forks along the DNA and overlapping cell cycles. Genetic adaptation-E. coli and related bacteria possess the ability to transfer DNA via bacterial conjugation or transduction, which allows genetic material to spread horizontally through an existing population. The process of transduction, which uses the bacterial virus called a bacteriophage, is where the spread of the gene encoding for the Shiga toxin from the Shigella bacteria to E. coli helped produce E. coli O157:H7, the Shiga toxin-producing strain of E. coli. Diversity E. coli encompasses an enormous population of bacteria that exhibit a very high degree of both genetic and phenotypic diversity. Genome sequencing of a large number of isolates of E. coli and related bacteria shows that a taxonomic reclassification would be desirable. However, this has not been done, largely due to its medical importance, and E. coli remains one of the most diverse bacterial species: only 20% of the genes in a typical E. coli genome is shared among all strains. In fact, from the evolutionary point of view, the members of genus Shigella (S. dysenteriae, S. flexneri, S. boydii, and S. sonnei) should be classified as E. coli strains, a phenomenon termed taxa in disguise. Similarly, other strains of E. coli (e.g. the K-12 strain commonly used in recombinant DNA work) are sufficiently different that they would merit reclassification. A strain is a subgroup within the species that has unique characteristics that distinguish it from other strains. These differences are often detectable only at the molecular level; however, they may result in changes to the physiology or lifecycle of the bacterium. For example, a strain may gain pathogenic capacity, the ability to use a unique carbon source, the ability to take upon a particular ecological niche, or the ability to resist antimicrobial agents. Different strains of E. coli are often host-specific, making it possible to determine the source of fecal contamination in environmental samples. For example, knowing which E. coli strains are present in a water sample allows researchers to make assumptions about whether the contamination originated from a human, another mammal, or a bird. Serotypes-A common subdivision system of E. coli, but not based on evolutionary relatedness, is by serotype, which is based on major surface antigens (O antigen: part of lipopolysaccharide layer; H: flagellin; K antigen: capsule), e.g. O157:H7). It is, however, common to cite only the serogroup, i.e. the O-antigen. At present, about 190 serogroups are known. The common laboratory strain has a mutation that prevents the formation of an O-antigen and is thus not typeable. Genome plasticity and evolution-Like all lifeforms, new strains of E. coli evolve through the natural biological processes of mutation, gene duplication, and horizontal gene transfer; in particular, 18% of the genome of the laboratory strain MG1655 was horizontally acquired since the divergence from Salmonella. E. coli K-12 and E. coli B strains are the most frequently used varieties for laboratory purposes. Some strains develop traits that can be harmful to a host animal. These virulent strains typically cause a bout of diarrhea that is often self-limiting in healthy adults but is frequently lethal to children in the developing world. More virulent strains, such as O157:H7, cause serious illness or death in the elderly, the very young, or the immunocompromised. The genera Escherichia and Salmonella diverged around 102 million years ago (credibility interval: 57–176 mya), which coincides with the divergence of their hosts: the former being found in mammals and the latter in birds and reptiles. This was followed by a split of an Escherichia ancestor into five species (E. albertii, E. coli, E. fergusonii, E. hermannii, and E. vulneris). The last E. coli ancestor split between 20 and 30 million years ago. The long-term evolution experiments using E. coli, begun by Richard Lenski in 1988, have allowed direct observation of major evolutionary shifts in the laboratory. E. coli typically do not have the ability to grow aerobically with citrate as a carbon source, which is used as a diagnostic criterion with which to differentiate E. coli from other, closely, related bacteria such as Salmonella. In this experiment, one population of E. coli unexpectedly evolved the ability to aerobically metabolize citrate, possibly marking a speciation event observed in the laboratory.
국문 설명
출처: Wikipedia
Escherichia coli (E. coli, 大腸菌)는 독일의 소아과의사 Theodor Escherich가 1885년에 발견하였으며, 감마프로테오박테리아 계통군에 속하는 장내세균이다. E. coli는 대장균으로 알려져 있으며, 그람음성, 통성혐기성, 간균형태의 세균으로서 일반적으로 온혈동물의 하부장내(대장과 소장)에서 발견된다. 대부분의 E. coli 균주는 무해하나, 일부 항원형 O157:H7 등은 숙주에서 심각한 식중독을 일으키며 대규모 식품 리콜의 원인이 되기도 한다. 장내의 무해한 정상적인 미생물상으로서 비타민 K2를 생성하고 공생관계를 유지하면서 병원성세균의 장내서식을 방지함으로서 숙주에게 도움을 주기도 한다. 대장균은 대변으로 환경에 배출되게 되며 3일 동안은 호기조건 하에서 대량으로 증식하지만 이후에는 그 수가 천천히 감소한다. 대장균과 다른 통성혐기세균은 장내 균총의 약 0.1%를 차지하고 있으며, 구강을 통한 전염이 질병발생의 주요 경로가 된다. 대장균은 일정 시간 동안만 생체 밖에서 생존할 수 있기 때문에 분변오염에 대한 환경시료를 시험하는 지표생물로 이용되고 있으며, 한편으로는 숙주 외부에서 장기간 생존할 수 있는 대장균에 대한 연구가 진행되고 있다. 실험실에서 쉽고 저렴하게 배양할 수 있으며, 지난 60 년이 넘는 기간 동안 집중적으로 연구되어 온 미생물로서 탄소원과 에너지원이 필수적으로 요구되는 화학합성유기영양생물이다. E. coli는 가장 광범위하게 연구된 원핵생물의 모델미생물이며 재조합 DNA 실험에서 숙주로 사용되는 등 생명공학 및 미생물학 분야에서 매우 중요한 미생물로서 적정조건 하에서 복제시간이 20분 정도로 빠르게 성장한다. 그람음성, 통성혐기성 (산소가 존재할 경우 호기적 호흡으로 ATP를 만들고 산소가 없을 경우는 발효 또는 혐기적 호흡으로 전환) 및 비포자형성 세균으로서 세포는 대개 막대모양이며 길이가 약 2.0 μm 이고 직경이 0.25-1.0 μm 이며 세포 부피는 0.6-0.7 μm3 이다. 세포벽은 얇은 펩티도글리칸층과 외막으로 이루어져 있고, 그람염색에서 대응염색시약 사프라닌에 염색되어 분홍색을 띠게 된다. 세포벽을 둘러싸고 있는 외막은 특정 항생제에 내성을 띠게 하며 대장균은 페니실린에 내성을 갖고 있다. 편모를 통한 운동성이 있으며, 주변편모 배열형태를 가지고 있고, intimin으로 알려진 접착분자는 장의 미세융모에 달라 붙는 작용을 한다. 다양한 기질에서 자랄 수 있으며 혐기적 조건에서 혼합산 발효를 통해 젖산, 숙신산, 에탄올, 아세트산 및 이산화탄소를 생성한다. 혼합산 발효를 통해서는 여러 경로에서 수소 가스를 생성하기 때문에 메탄생성세균 및 유황환원세균과 같은 수소를 소비하는 미생물과 함께 존재하기도 한다. 37°C에서 최적으로 생육하고, 일부 균주는 최대 49°C의 온도에서도 증식 하며, LB배지 또는 글루코스, 일인산암모늄, 염화나트륨, 황산마그네슘, 이인산칼륨을 함유하는 다양한 배지에서 자란다. 호기적 또는 혐기적 호흡에 의해 성장이 촉진되므로 피루브산, 포름산, 수소 및 아미노산과 같은 산화제와 산소, 질산, 푸마르산, 디메틸 술폭사이드 및 트리메틸아민 N-옥사이드와 같은 환원제 등의 다양한 산화환원쌍 시약을 사용한다. 통성혐기성균으로서 산소를 이용하지만, 산소가 없을 때에는 발효 또는 혐기적 호흡을 통해 성장하여 물이 많은 환경에서 생존할 수 있는 수단으로 사용한다. 대장균 및 관련 박테리아는 접합 또는 형질도입을 통해 유전물질이 수평적으로 이동하는 DNA 전달능력을 갖고 있으며, 박테리오파아지로 불리는 박테리아 바이러스를 사용하는 형질도입 과정의 경우, Shigella 세균에 있는 shiga 독소 유전자를 대장균으로 도입시켜 shiga 독소를 생산하는 대장균 E. coli O157:H7의 예가 있다. E. coli는 유전적인 다양성과 표현형적인 다양성이 큰 거대한 세균 집단으로서 유전체염기서열분석을 통해 대장균 및 관련 세균분리균들에 대한 분류학적 재분류가 요구되고 있으나 의학적인 중요성 때문에 이루어지지 않고 있음으로서 가장 다양한 세균 종으로 남아 있으며, 전형적인 대장균 게놈 중 20% 의 유전자가 모든 균주들 사이에서 공유되고 있다. 진화론적인 관점에서 볼 때, Shigella 속 균주 (S. dysenteriae, S. flexneri, S. boydii 및 S. sonnei)는 대장균으로 분류되어야 하며, 대장균의 다른 균주 (예: 재조합 DNA 작업에 일반적으로 사용되는 K-12 균주) 또한 재분류가 가능할 만큼 서로 다른 점이 많다. 균주는 다른 균주와 구별되는 고유한 특성을 지닌 종 내의 하위 집단으로서 그 차이점을 유전자수준에서만 발견 할 수 있으나 생리적특성 또는 생애주기가 바뀌기도 한다. 예를 들어, 균주간에는 병원성, 탄소원이용 능력, 특정 생태학적 틈새를 이용할 수 있는 능력 또는 항생제 저항력이 달라지기도 한다. E. coli는 숙주특이적이기 때문에 환경시료에서 배설물오염원을 밝히는데 사용되며, 어떤 대장균이 물 시료에 존재할 경우, 그 오염이 인간, 다른 포유동물 또는 조류에서 유래했는지의 여부를 분석을 통해 알 수 있다.
국가생명연구자원통합정보시스템 연계 데이터 (전체 데이터 건수: 58174)
번호 학명 대구분 중구분 연계기관 연계정보조회
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5 Escherichia coli 미생물 균주 한국생명공학연구원 (330) 조회
6 Escherichia coli 미생물 기타 생명자원정보서비스 (263) 조회
7 Escherichia coli 미생물 단백질서열정보 산학연 (21836) 조회
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