Escherichia coli ( / ˌ ɛ ʃ ə ˈ r ɪ k i ə ˈ k oʊ l aɪ / ESH -ə- RIK -ee-ə KOH -ly ) [1] [2 ] es un bastoncillo anaeróbico facultativo gramnegativo Bacteria coliforme con forma del género Escherichia que se encuentra comúnmente en el intestino inferior de los organismos de sangre caliente . [3] [4] La mayoría de las cepas de E. coli son inofensivas, pero algunos serotipos como EPEC y ETEC son patógenos y pueden causar intoxicación alimentaria grave en sus huéspedes y, en ocasiones, son responsables de incidentes de contaminación de alimentos que provocan retiradas de productos. [5] [6] La mayoría de las cepas son parte de la microbiota normal del intestino y son inofensivas o incluso beneficiosas para los humanos (aunque estas cepas tienden a estar menos estudiadas que las patógenas ). [7] Por ejemplo, algunas cepas de E. coli benefician a sus huéspedes al producir vitamina K 2 [8] o al prevenir la colonización del intestino por bacterias patógenas . Estas relaciones mutuamente beneficiosas entre E. coli y los humanos son un tipo de relación biológica mutualista , en la que tanto los humanos como la E. coli se benefician mutuamente. [9] [10] E. coli se expulsa al medio ambiente a través de la materia fecal. La bacteria crece masivamente en materia fecal fresca en condiciones aeróbicas durante tres días, pero luego su número disminuye lentamente. [11]
E. coli y otros anaerobios facultativos constituyen aproximadamente el 0,1% de la microbiota intestinal , [12] y la transmisión fecal-oral es la ruta principal a través de la cual las cepas patógenas de la bacteria causan enfermedades. Las células pueden sobrevivir fuera del cuerpo durante un período de tiempo limitado, lo que las convierte en organismos indicadores potenciales para analizar muestras ambientales en busca de contaminación fecal . [13] [14] Sin embargo, un creciente cuerpo de investigación ha examinado la E. coli ambientalmente persistente que puede sobrevivir durante muchos días y crecer fuera de un huésped. [15]
La bacteria se puede cultivar y cultivar de forma fácil y económica en un laboratorio, y ha sido investigada intensamente durante más de 60 años. E. coli es un quimioheterótrofo cuyo medio químicamente definido debe incluir una fuente de carbono y energía . [16] E. coli es el organismo modelo procariótico más estudiado y una especie importante en los campos de la biotecnología y la microbiología , donde ha servido como organismo huésped para la mayoría de los trabajos con ADN recombinante . En condiciones favorables, se tarda tan sólo 20 minutos en reproducirse. [17]
E. coli es una bacteria coliforme gramnegativa, anaerobia facultativa y no esporulante . [18] Las células suelen tener forma de bastón y miden aproximadamente 2,0 μm de largo y 0,25 a 1,0 μm de diámetro, con un volumen celular de 0,6 a 0,7 μm 3 . [19] [20] [21]
E. coli se tiñe de gramnegativos porque su pared celular está compuesta por una fina capa de peptidoglicano y una membrana externa. Durante el proceso de tinción, E. coli adquiere el color de la contratinción de safranina y se tiñe de rosa. La membrana externa que rodea la pared celular proporciona una barrera contra ciertos antibióticos , de modo que la penicilina no daña a E. coli . [dieciséis]
Los flagelos que permiten nadar a las bacterias tienen una disposición perítrica . [22] También se adhiere y borra las microvellosidades de los intestinos a través de una molécula de adhesión conocida como intimina . [23]
E. coli puede vivir en una amplia variedad de sustratos y utiliza fermentación ácida mixta en condiciones anaeróbicas, produciendo lactato , succinato , etanol , acetato y dióxido de carbono . Dado que muchas vías de fermentación con ácidos mixtos producen gas hidrógeno , estas vías requieren que los niveles de hidrógeno sean bajos, como es el caso cuando E. coli convive con organismos consumidores de hidrógeno, como los metanógenos o las bacterias reductoras de sulfato . [24]
Además, el metabolismo de E. coli se puede reconfigurar para utilizar únicamente CO 2 como fuente de carbono para la producción de biomasa. En otras palabras, el metabolismo de este heterótrofo obligado puede alterarse para mostrar capacidades autótrofas expresando heterólogamente genes de fijación de carbono , así como formiato deshidrogenasa y realizando experimentos de evolución en laboratorio. Esto se puede hacer usando formiato para reducir los portadores de electrones y suministrar el ATP requerido en las vías anabólicas dentro de estos autótrofos sintéticos. [25]
E. coli tiene tres vías glucolíticas nativas: EMPP , EDP y OPPP . El EMPP emplea diez pasos enzimáticos para producir dos piruvatos , dos ATP y dos NADH por molécula de glucosa , mientras que el OPPP sirve como ruta de oxidación para la síntesis de NADPH . Aunque el EDP es el más termodinámicamente favorable de las tres vías, E. coli no utiliza el EDP para el metabolismo de la glucosa , basándose principalmente en el EMPP y el OPPP. El EDP permanece principalmente inactivo excepto durante el crecimiento con gluconato . [26]
Cuando crecen en presencia de una mezcla de azúcares, las bacterias suelen consumir los azúcares de forma secuencial mediante un proceso conocido como represión de catabolitos . Al reprimir la expresión de los genes implicados en la metabolización de los azúcares menos preferidos, las células normalmente consumirán primero el azúcar que produce la mayor tasa de crecimiento, seguido por el azúcar que produce la siguiente tasa de crecimiento más alta, y así sucesivamente. Al hacerlo, las células se aseguran de que sus recursos metabólicos limitados se utilicen para maximizar la tasa de crecimiento. El ejemplo más utilizado de esto con E. coli implica el crecimiento de la bacteria en glucosa y lactosa , donde E. coli consumirá glucosa antes que lactosa . También se ha observado la represión de catabolitos en E. coli en presencia de otros azúcares distintos de la glucosa, como arabinosa y xilosa , sorbitol , ramnosa y ribosa . En E. coli , la represión del catabolito de la glucosa está regulada por el sistema fosfotransferasa , una cascada de fosforilación de múltiples proteínas que acopla la captación y el metabolismo de la glucosa . [27]
El crecimiento óptimo de E. coli se produce a 37 °C (99 °F), pero algunas cepas de laboratorio pueden multiplicarse a temperaturas de hasta 49 °C (120 °F). [28] E. coli crece en una variedad de medios de laboratorio definidos, como caldo de lisogenia o cualquier medio que contenga glucosa , fosfato monobásico de amonio , cloruro de sodio , sulfato de magnesio , fosfato dibásico de potasio y agua . El crecimiento puede ser impulsado por la respiración aeróbica o anaeróbica , utilizando una gran variedad de pares redox , incluida la oxidación del ácido pirúvico , ácido fórmico , hidrógeno y aminoácidos , y la reducción de sustratos como oxígeno , nitrato , fumarato , dimetilsulfóxido , y N-óxido de trimetilamina . [29] E. coli se clasifica como anaerobio facultativo . Utiliza oxígeno cuando está presente y disponible. Sin embargo, puede seguir creciendo en ausencia de oxígeno mediante fermentación o respiración anaeróbica . El tipo de respiración es controlado en parte por el sistema de arco . La capacidad de seguir creciendo en ausencia de oxígeno es una ventaja para las bacterias porque su supervivencia aumenta en ambientes donde predomina el agua . [dieciséis]
El ciclo celular bacteriano se divide en tres etapas. El período B ocurre entre la finalización de la división celular y el comienzo de la replicación del ADN . El período C abarca el tiempo que tarda en replicarse el ADN cromosómico. El período D se refiere a la etapa entre la conclusión de la replicación del ADN y el final de la división celular. [30] La tasa de duplicación de E. coli es mayor cuando hay más nutrientes disponibles. Sin embargo, la duración de los períodos C y D no cambia, incluso cuando el tiempo de duplicación es menor que la suma de los períodos C y D. En las tasas de crecimiento más rápidas, la replicación comienza antes de que se complete la ronda anterior de replicación, lo que resulta en múltiples bifurcaciones de replicación a lo largo del ADN y ciclos celulares superpuestos. [31]
El número de horquillas de replicación en E. coli de rápido crecimiento suele ser 2n (n = 1, 2 o 3). Esto sólo sucede si la replicación se inicia simultáneamente desde todos los orígenes de las replicaciones y se denomina replicación sincrónica . Sin embargo, no todas las células de un cultivo se replican sincrónicamente. En este caso las células no tienen múltiplos de dos bifurcaciones de replicación . Entonces se hace referencia al inicio de la replicación como asincrónico. [32] Sin embargo, la asincronía puede ser causada por mutaciones en, por ejemplo, DnaA [32] o la proteína asociada al iniciador de DnaA , DiaA. [33]
Aunque E. coli se reproduce por fisión binaria, las dos células supuestamente idénticas producidas por división celular son funcionalmente asimétricas y la antigua célula polar actúa como un padre envejecido que produce repetidamente descendencia rejuvenecida. [34] Cuando se expone a un nivel elevado de estrés, la acumulación de daños en un antiguo linaje de E. coli puede superar su umbral de inmortalidad, de modo que detiene la división y se vuelve mortal. [35] El envejecimiento celular es un proceso general que afecta tanto a procariotas como a eucariotas . [35]
E. coli y las bacterias relacionadas poseen la capacidad de transferir ADN mediante conjugación o transducción bacteriana , lo que permite que el material genético se propague horizontalmente a través de una población existente. El proceso de transducción, que utiliza el virus bacteriano llamado bacteriófago , [36] es donde la propagación del gen que codifica la toxina Shiga de la bacteria Shigella a E. coli ayudó a producir E. coli O157:H7 , la toxina Shiga- cepa productora de E. coli.
E. coli abarca una enorme población de bacterias que exhiben un grado muy alto de diversidad tanto genética como fenotípica. La secuenciación del genoma de muchos aislados de E. coli y bacterias relacionadas muestra que sería deseable una reclasificación taxonómica. Sin embargo, esto no se ha hecho, en gran parte debido a su importancia médica, [37] y E. coli sigue siendo una de las especies bacterianas más diversas: sólo el 20% de los genes en un genoma típico de E. coli se comparte entre todas las cepas. [38]
De hecho, desde un punto de vista más constructivo, los miembros del género Shigella ( S. Dysenteriae , S. flexneri , S. boydii y S. sonnei ) deberían clasificarse como cepas de E. coli , un fenómeno denominado taxones disfrazados . [39] De manera similar, otras cepas de E. coli (por ejemplo, la cepa K-12 comúnmente utilizada en trabajos de ADN recombinante ) son suficientemente diferentes como para merecer una reclasificación.
Una cepa es un subgrupo dentro de la especie que tiene características únicas que lo distinguen de otras cepas . Estas diferencias suelen ser detectables sólo a nivel molecular; sin embargo, pueden provocar cambios en la fisiología o el ciclo de vida de la bacteria. Por ejemplo, una cepa puede adquirir capacidad patógena , la capacidad de utilizar una fuente única de carbono , la capacidad de ocupar un nicho ecológico particular o la capacidad de resistir agentes antimicrobianos . Las diferentes cepas de E. coli suelen ser específicas del huésped, lo que permite determinar la fuente de contaminación fecal en muestras ambientales. [13] [14] Por ejemplo, saber qué cepas de E. coli están presentes en una muestra de agua permite a los investigadores hacer suposiciones sobre si la contaminación se originó en un ser humano, otro mamífero o un ave .
Un sistema de subdivisión común de E. coli , pero que no se basa en la relación evolutiva, es por serotipo, que se basa en los principales antígenos de superficie (antígeno O: parte de la capa de lipopolisacárido ; H: flagelina ; antígeno K : cápsula), por ejemplo, O157:H7. ). [40] Sin embargo, es común citar sólo el serogrupo , es decir, el antígeno O. Actualmente se conocen unos 190 serogrupos. [41] La cepa de laboratorio común tiene una mutación que impide la formación de un antígeno O y, por lo tanto, no es tipificable.
Como todas las formas de vida, las nuevas cepas de E. coli evolucionan a través de procesos biológicos naturales de mutación , duplicación de genes y transferencia horizontal de genes ; En particular, el 18% del genoma de la cepa de laboratorio MG1655 se adquirió horizontalmente desde la divergencia con Salmonella . [42] Las cepas de E. coli K-12 y E. coli B son las variedades más utilizadas con fines de laboratorio. Algunas cepas desarrollan rasgos que pueden ser perjudiciales para el animal huésped. Estas cepas virulentas suelen provocar un ataque de diarrea que a menudo desaparece espontáneamente en adultos sanos, pero que suele ser letal para los niños del mundo en desarrollo. [43] Las cepas más virulentas, como la O157:H7 , causan enfermedades graves o la muerte en personas mayores, muy jóvenes o inmunocomprometidas . [43] [44]
Los géneros Escherichia y Salmonella divergieron hace unos 102 millones de años (intervalo de credibilidad: 57-176 millones de años), un evento no relacionado con la divergencia mucho anterior (ver Sinápsidos ) de sus huéspedes: el primero se encuentra en mamíferos y el segundo en aves y reptiles. . [45] Esto fue seguido por una división de un ancestro de Escherichia en cinco especies ( E. albertii , E. coli , E. fergusonii , E. hermannii y E. vulneris ). El último ancestro de E. coli se dividió hace entre 20 y 30 millones de años. [46]
Los experimentos de evolución a largo plazo utilizando E. coli , iniciados por Richard Lenski en 1988, han permitido la observación directa de la evolución del genoma a lo largo de más de 65.000 generaciones en el laboratorio. [47] Por ejemplo, E. coli normalmente no tiene la capacidad de crecer aeróbicamente con citrato como fuente de carbono , que se utiliza como criterio de diagnóstico para diferenciar E. coli de otras bacterias estrechamente relacionadas, como Salmonella . En este experimento, una población de E. coli desarrolló inesperadamente la capacidad de metabolizar el citrato aeróbicamente , un cambio evolutivo importante con algunas características de especiación microbiana .
En el mundo microbiano se puede establecer una relación de depredación similar a la observada en el mundo animal. Considerado, se ha visto que E. coli es presa de múltiples depredadores generalistas, como Myxococcus xanthus . En esta relación depredador-presa se observa una evolución paralela de ambas especies a través de modificaciones genómicas y fenotípicas, en el caso de E. coli las modificaciones se modifican en dos aspectos implicados en su virulencia como es la producción mucoide (producción excesiva de alginato ácido exoplásmico ) y la supresión del gen OmpT , produciendo en generaciones futuras una mejor adaptación de una de las especies que se ve contrarrestada por la evolución de la otra, siguiendo un modelo coevolutivo demostrado por la hipótesis de la Reina Roja . [48]
E. coli es la especie tipo del género ( Escherichia ) y a su vez Escherichia es el género tipo de la familia Enterobacteriaceae , donde el apellido no proviene del género Enterobacter + "i" (sic.) + " aceae ", sino de "enterobacterium" + "aceae" (enterobacterium no es un género, sino un nombre trivial alternativo a bacteria entérica). [49] [50] [51]
Se cree que la cepa original descrita por Escherich se ha perdido, por lo que se eligió una nueva cepa tipo (neotipo) como representativa: la cepa neotipo es U5/41 T , [52] también conocida con los nombres de depósito DSM 30083 , [53] ATCC 11775 , [54] y NCTC 9001, [55] que es patógeno para los pollos y tiene un serotipo O1:K1:H7 . [56] Sin embargo, en la mayoría de los estudios, se utilizó O157:H7 , K-12 MG1655 o K-12 W3110 como E. coli representativa . El genoma de la cepa tipo apenas ha sido secuenciado recientemente. [52]
Se han aislado y caracterizado muchas cepas pertenecientes a esta especie. Además del serotipo ( vide supra ), se pueden clasificar según su filogenia , es decir, la historia evolutiva inferida, como se muestra a continuación, donde la especie se divide en seis grupos a partir de 2014. [57] [58] Particularmente el uso de entero Las secuencias del genoma producen filogenias altamente respaldadas. [52] La estructura del filogrupo sigue siendo sólida ante métodos y secuencias más nuevos, lo que a veces agrega grupos más nuevos, dando 8 o 14 a partir de 2023. [59] [60]
El vínculo entre la distancia filogenética ("relación") y la patología es pequeño, [52] por ejemplo , las cepas del serotipo O157:H7 , que forman un clado ("un grupo exclusivo") (grupo E a continuación) son todas cepas enterohemorrágicas (EHEC). pero no todas las cepas de ECEH están estrechamente relacionadas. De hecho, cuatro especies diferentes de Shigella se encuentran entre las cepas de E. coli ( vide supra ), mientras que E. albertii y E. fergusonii están fuera de este grupo. De hecho, todas las especies de Shigella se ubicaron dentro de una única subespecie de E. coli en un estudio filogenómico que incluyó la cepa tipo. [52] Todas las cepas de investigación de E. coli comúnmente utilizadas pertenecen al grupo A y se derivan principalmente de la cepa K-12 de Clifton (λ + F + ; O16) y, en menor grado, de la cepa " Bacillus coli " de d'Herelle. (cepa B; O7).
Ha habido múltiples propuestas para revisar la taxonomía para que coincida con la filogenia. [52] Sin embargo, todas estas propuestas deben enfrentar el hecho de que Shigella sigue siendo un nombre ampliamente utilizado en medicina y encontrar formas de reducir cualquier confusión que pueda surgir del cambio de nombre. [61]
La primera secuencia completa de ADN de un genoma de E. coli (cepa de laboratorio K-12 derivada MG1655) se publicó en 1997. Se trata de una molécula de ADN circular de 4,6 millones de pares de bases de longitud y que contiene 4288 genes codificadores de proteínas anotados (organizados en 2584 operones) . ), siete operones de ARN ribosómico (ARNr) y 86 genes de ARN de transferencia (ARNt). A pesar de haber sido objeto de intensos análisis genéticos durante unos 40 años, muchos de estos genes eran desconocidos hasta ahora. Se descubrió que la densidad de codificación era muy alta, con una distancia media entre genes de sólo 118 pares de bases. Se observó que el genoma contenía un número significativo de elementos genéticos transponibles , elementos repetidos, profagos crípticos y restos de bacteriófagos . [62]
Se conocen más de trescientas secuencias genómicas completas de las especies de Escherichia y Shigella . La secuencia del genoma de la cepa tipo de E. coli se agregó a esta colección antes de 2014. [52] La comparación de estas secuencias muestra una notable cantidad de diversidad; sólo alrededor del 20% de cada genoma representa secuencias presentes en cada uno de los aislados, mientras que alrededor del 80% de cada genoma puede variar entre los aislados. [38] Cada genoma individual contiene entre 4.000 y 5.500 genes, pero el número total de genes diferentes entre todas las cepas de E. coli secuenciadas (el pangenoma) supera los 16.000. Se ha interpretado que esta gran variedad de genes componentes significa que dos tercios del pangenoma de E. coli se originaron en otras especies y llegaron a través del proceso de transferencia horizontal de genes. [63]
Los genes de E. coli suelen denominarse de acuerdo con la nomenclatura uniforme propuesta por Demerec et al. [64] Los nombres de los genes son acrónimos de tres letras que se derivan de su función (cuando se conoce) o fenotipo mutante y están en cursiva. Cuando varios genes tienen el mismo acrónimo, los diferentes genes se designan con una letra mayúscula que sigue al acrónimo y también está en cursiva. Por ejemplo, recA lleva el nombre de su papel en la recombinación homóloga más la letra A. Los genes funcionalmente relacionados se denominan recB , recC , recD , etc. Las proteínas se denominan mediante acrónimos en mayúsculas, por ejemplo, RecA , RecB , etc. Cuando el genoma de E. coli cepa K-12 substr. Se secuenció MG1655, todos los genes codificadores de proteínas conocidos o predichos se numeraron (más o menos) en su orden en el genoma y se abreviaron con números b, como b2819 (= recD ). Los nombres "b" se crearon en honor a Fred B. Lattner, quien dirigió el esfuerzo de secuenciación del genoma. [62] Se introdujo otro sistema de numeración con la secuencia de otra subcepa de E. coli K-12, W3110, que fue secuenciada en Japón y, por lo tanto, utiliza números que comienzan con JW... ( japonés W 3110), por ejemplo , JW2787 (= recD ). [65] Por lo tanto, recD = b2819 = JW2787. Tenga en cuenta, sin embargo, que la mayoría de las bases de datos tienen su propio sistema de numeración; por ejemplo, la base de datos EcoGene [66] utiliza EG10826 para recD . Finalmente, los números ECK se utilizan específicamente para los alelos de la cepa MG1655 de E. coli K-12. [66] Se pueden obtener listas completas de genes y sus sinónimos en bases de datos como EcoGene o Uniprot .
La secuencia del genoma de E. coli predice 4.288 genes codificadores de proteínas, de los cuales al 38 por ciento inicialmente no se les atribuía ninguna función. La comparación con otros cinco microbios secuenciados revela familias de genes ubicuas y estrechamente distribuidas; También son evidentes muchas familias de genes similares dentro de E. coli . La familia más grande de proteínas parálogas contiene 80 transportadores ABC. El genoma en su conjunto está sorprendentemente organizado con respecto a la dirección local de replicación; guaninas, oligonucleótidos posiblemente relacionados con la replicación y la recombinación, y la mayoría de los genes están así orientados. El genoma también contiene elementos de secuencia de inserción (IS), restos de fagos y muchos otros parches de composición inusual que indican plasticidad del genoma mediante transferencia horizontal. [62]
Varios estudios han investigado experimentalmente el proteoma de E. coli . En 2006, se habían identificado experimentalmente 1.627 (38%) de las proteínas predichas ( marcos de lectura abiertos , ORF). [67] Mateus et al. En 2020 se detectaron 2.586 proteínas con al menos 2 péptidos (60% de todas las proteínas). [68]
Aunque muchas menos proteínas bacterianas parecen tener modificaciones postraduccionales (PTM) en comparación con las proteínas eucariotas , una cantidad sustancial de proteínas están modificadas en E. coli . Por ejemplo, Potel et al. (2018) encontraron 227 fosfoproteínas de las cuales 173 estaban fosforiladas en histidina . Curiosamente, la mayoría de los aminoácidos fosforilados eran serina (1220 sitios) con solo 246 sitios en histidina y 501 treoninas y 162 tirosinas fosforiladas . [69]
El interactoma de E. coli ha sido estudiado mediante purificación por afinidad y espectrometría de masas (AP/MS) y analizando las interacciones binarias entre sus proteínas.
Complejos proteicos . Un estudio realizado en 2006 purificó 4.339 proteínas de cultivos de la cepa K-12 y encontró parejas de interacción para 2.667 proteínas, muchas de las cuales tenían funciones desconocidas en ese momento. [70] Un estudio de 2009 encontró 5.993 interacciones entre proteínas de la misma cepa de E. coli , aunque estos datos mostraron poca superposición con los de la publicación de 2006. [71]
Interacciones binarias . Rajagopala et al. (2014) llevaron a cabo análisis sistemáticos de dos híbridos de levadura con la mayoría de las proteínas de E. coli y encontraron un total de 2234 interacciones proteína-proteína. [72] Este estudio también integró interacciones genéticas y estructuras de proteínas y mapeó 458 interacciones dentro de 227 complejos de proteínas .
E. coli pertenece a un grupo de bacterias conocidas informalmente como coliformes que se encuentran en el tracto gastrointestinal de animales de sangre caliente . [49] E. coli normalmente coloniza el tracto gastrointestinal de un bebé dentro de las 40 horas posteriores al nacimiento, llegando con alimentos o agua o de las personas que manipulan al niño. En el intestino, E. coli se adhiere a la mucosidad del intestino grueso . Es el principal anaerobio facultativo del tracto gastrointestinal humano. [73] ( Los anaerobios facultativos son organismos que pueden crecer en presencia o ausencia de oxígeno). Mientras estas bacterias no adquieran elementos genéticos que codifiquen factores de virulencia , seguirán siendo comensales benignos . [74]
Debido al bajo costo y la velocidad con la que se puede cultivar y modificar en entornos de laboratorio, E. coli es una plataforma de expresión popular para la producción de proteínas recombinantes utilizadas en terapia. Una ventaja de utilizar E. coli sobre otra plataforma de expresión es que E. coli naturalmente no exporta muchas proteínas al periplasma , lo que facilita la recuperación de una proteína de interés sin contaminación cruzada. [75] Las cepas de E. coli K-12 y sus derivados (DH1, DH5α, MG1655, RV308 y W3110) son las cepas más utilizadas por la industria biotecnológica. [76] Las cepas no patógenas de E. coli Nissle 1917 (EcN), (Mutaflor) y E. coli O83:K24:H31 (Colinfant) [77] [78] ) se utilizan como agentes probióticos en medicina, principalmente para el tratamiento de diversas enfermedades gastrointestinales , [79] incluida la enfermedad inflamatoria intestinal . [80] Se cree que la cepa EcN podría impedir el crecimiento de patógenos oportunistas, incluida Salmonella y otros enteropatógenos coliformes , mediante la producción de proteínas microcina y la producción de sideróforos . [81]
La mayoría de las cepas de E. coli no causan enfermedades, ya que viven naturalmente en el intestino, [82] pero las cepas virulentas pueden causar gastroenteritis , infecciones del tracto urinario , meningitis neonatal , colitis hemorrágica y enfermedad de Crohn . [ cita necesaria ] Los signos y síntomas comunes incluyen calambres abdominales intensos, diarrea, colitis hemorrágica, vómitos y, a veces, fiebre. En casos más raros, las cepas virulentas también son responsables de necrosis intestinal (muerte del tejido) y perforación sin progresar a síndrome urémico hemolítico , peritonitis , mastitis , sepsis y neumonía por gramnegativos . Los niños muy pequeños son más susceptibles a desarrollar enfermedades graves, como el síndrome urémico hemolítico; sin embargo, las personas sanas de todas las edades corren el riesgo de sufrir las graves consecuencias que pueden surgir como resultado de la infección con E. coli . [73] [83] [84] [85]
Algunas cepas de E. coli , por ejemplo O157:H7, pueden producir toxina Shiga (clasificada como agente bioterrorista ). La toxina Shiga provoca respuestas inflamatorias en las células diana del intestino, dejando lesiones que provocan diarrea con sangre, que es un síntoma de una infección por E. coli productora de toxina Shiga (STEC). Esta toxina provoca además la destrucción prematura de los glóbulos rojos, que luego obstruyen el sistema de filtrado del cuerpo, los riñones, y en algunos casos raros (normalmente en niños y ancianos), provocando el síndrome urémico hemolítico (SUH), que puede provocar insuficiencia renal. e incluso la muerte. Los signos del síndrome urémico hemolítico incluyen disminución de la frecuencia de la micción, letargo y palidez de las mejillas y el interior de los párpados inferiores. En el 25% de los pacientes con SUH se producen complicaciones del sistema nervioso, lo que a su vez provoca accidentes cerebrovasculares . Además, esta cepa provoca la acumulación de líquido (ya que los riñones no funcionan), lo que provoca edema alrededor de los pulmones, piernas y brazos. Este aumento en la acumulación de líquido, especialmente alrededor de los pulmones, impide el funcionamiento del corazón, provocando un aumento de la presión arterial. [86] [84] [85]
La E. coli uropatógena (UPEC) es una de las principales causas de infecciones del tracto urinario . [87] Es parte de la microbiota normal en el intestino y puede introducirse de muchas maneras. En particular en el caso de las mujeres, la dirección de limpieza después de defecar (limpiarse de atrás hacia adelante) puede provocar contaminación fecal de los orificios urogenitales. El coito anal también puede introducir esta bacteria en la uretra masculina y, al pasar del coito anal al vaginal, el hombre también puede introducir la UPEC en el sistema urogenital femenino.
La E. coli enterotoxigénica (ETEC) es la causa más común de diarrea del viajero , con hasta 840 millones de casos en todo el mundo en los países en desarrollo cada año. La bacteria, que generalmente se transmite a través de alimentos o agua potable contaminados, se adhiere al revestimiento intestinal , donde secreta uno de dos tipos de enterotoxinas , lo que provoca diarrea acuosa. La tasa y la gravedad de las infecciones son mayores entre los niños menores de cinco años, e incluyen hasta 380.000 muertes al año. [88]
En mayo de 2011, una cepa de E. coli , O104:H4 , fue objeto de un brote bacteriano que comenzó en Alemania . Ciertas cepas de E. coli son una de las principales causas de enfermedades transmitidas por los alimentos . El brote comenzó cuando varias personas en Alemania se infectaron con la bacteria E. coli enterohemorrágica (EHEC) , lo que provocó el síndrome urémico hemolítico (SHU), una emergencia médica que requiere tratamiento urgente. El brote no afectó sólo a Alemania, sino también a otros 15 países, incluidas regiones de América del Norte. [89] El 30 de junio de 2011, el Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) (Instituto Federal para la Evaluación de Riesgos, un instituto federal dentro del Ministerio Federal Alemán de Alimentación, Agricultura y Protección del Consumidor ) anunció que las semillas de fenogreco de Egipto eran probablemente la causa. del brote de ECEH. [90]
Algunos estudios han demostrado una ausencia de E. coli en la flora intestinal de sujetos con el trastorno metabólico fenilcetonuria . Se plantea la hipótesis de que la ausencia de estas bacterias normales perjudica la producción de las vitaminas clave B 2 (riboflavina) y K 2 (menaquinona), vitaminas que están implicadas en muchas funciones fisiológicas en los seres humanos, como el metabolismo celular y óseo, y por lo tanto contribuye a el desorden. [91]
E. coli resistente a carbapenemes ( E. coli productora de carbapenemasas ) que son resistentes a la clase de antibióticos carbapenémicos , considerados los medicamentos de último recurso para este tipo de infecciones. Son resistentes porque producen una enzima llamada carbapenemasa que desactiva la molécula del fármaco. [92]
El tiempo entre la ingestión de la bacteria STEC y el malestar se denomina "período de incubación". El período de incubación suele ser de 3 a 4 días después de la exposición, pero puede ser tan corto como 1 día o tan largo como 10 días. Los síntomas suelen comenzar lentamente con un dolor abdominal leve o diarrea sin sangre que empeora a lo largo de varios días. El SUH, si ocurre, se desarrolla en promedio 7 días después de los primeros síntomas, cuando la diarrea está mejorando. [93]
El diagnóstico de diarrea infecciosa y la identificación de resistencia a los antimicrobianos se realiza mediante un cultivo de heces con pruebas posteriores de sensibilidad a los antibióticos . Se requieren un mínimo de 2 días y un máximo de varias semanas para cultivar patógenos gastrointestinales. Las tasas de sensibilidad (verdadero positivo) y especificidad (verdadero negativo) del cultivo de heces varían según el patógeno, aunque varios patógenos humanos no se pueden cultivar . Para muestras con cultivo positivo, la prueba de resistencia a los antimicrobianos tarda entre 12 y 24 horas adicionales en realizarse.
Las pruebas de diagnóstico molecular actuales en el lugar de atención pueden identificar E. coli y la resistencia a los antimicrobianos en las cepas identificadas mucho más rápido que las pruebas de cultivo y sensibilidad. Las plataformas basadas en microarrays pueden identificar cepas patógenas específicas de E. coli y genes de RAM específicos de E. coli en dos horas o menos con alta sensibilidad y especificidad, pero el tamaño del panel de prueba (es decir, patógenos totales y genes de resistencia a los antimicrobianos) es limitado. Actualmente se están desarrollando nuevas plataformas de diagnóstico de enfermedades infecciosas basadas en metagenómica para superar las diversas limitaciones del cultivo y todas las tecnologías de diagnóstico molecular disponibles actualmente.
La base del tratamiento es la evaluación de la deshidratación y la reposición de líquidos y electrolitos. Se ha demostrado que la administración de antibióticos acorta el curso de la enfermedad y la duración de la excreción de E. coli enterotoxigénica (ETEC) en adultos en áreas endémicas y en la diarrea del viajero, aunque la tasa de resistencia a los antibióticos de uso común está aumentando y generalmente no son recomendado. [94] El antibiótico utilizado depende de los patrones de susceptibilidad en la región geográfica particular. Actualmente, los antibióticos de elección son las fluoroquinolonas o la azitromicina , con un papel emergente para la rifaximina . La rifaximina, un derivado semisintético de la rifamicina, es un antibacteriano eficaz y bien tolerado para el tratamiento de adultos con diarrea del viajero no invasiva. La rifaximina fue significativamente más eficaz que el placebo y no menos eficaz que la ciprofloxacina para reducir la duración de la diarrea. Si bien la rifaximina es eficaz en pacientes con diarrea del viajero predominante por E. coli , parece ineficaz en pacientes infectados con enteropatógenos inflamatorios o invasivos . [95]
ETEC es el tipo de E. coli en el que se centran la mayoría de los esfuerzos de desarrollo de vacunas. Los anticuerpos contra LT y las principales CF de ETEC brindan protección contra CF homólogas productoras de LT y que expresan ETEC . Se han desarrollado vacunas orales inactivadas que consisten en antígeno de toxina y células enteras, es decir, la vacuna contra el cólera recombinante de subunidad B (rCTB)-WC autorizada Dukoral. Actualmente no existen vacunas autorizadas para ETEC, aunque varias se encuentran en distintas etapas de desarrollo. [96] En diferentes ensayos, la vacuna contra el cólera rCTB-WC proporcionó una protección alta a corto plazo (85-100%). En ensayos clínicos se ha demostrado que una vacuna candidata oral contra ETEC que consiste en rCTB y bacterias E. coli inactivadas con formalina que expresan las principales FQ es segura, inmunogénica y eficaz contra la diarrea grave en viajeros estadounidenses, pero no contra la diarrea ETEC en niños pequeños en Egipto . Se están sometiendo a pruebas clínicas una vacuna ETEC modificada que consiste en cepas recombinantes de E. coli que sobreexpresan las principales FC y un toxoide híbrido más parecido a LT llamado LCTBA. [97] [98]
Otros métodos de prevención comprobados para la transmisión de E. coli incluyen el lavado de manos y la mejora del saneamiento y del agua potable, ya que la transmisión se produce a través de la contaminación fecal de los suministros de alimentos y agua. Además, cocinar bien la carne y evitar el consumo de bebidas crudas no pasteurizadas, como jugos y leche, son otros métodos comprobados para prevenir la E. coli . Por último, se debe evitar la contaminación cruzada de utensilios y espacios de trabajo al preparar los alimentos. [99]
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Debido a su larga historia de cultivo en laboratorio y su facilidad de manipulación, E. coli desempeña un papel importante en la ingeniería biológica y la microbiología industrial modernas . [101] El trabajo de Stanley Norman Cohen y Herbert Boyer en E. coli , utilizando plásmidos y enzimas de restricción para crear ADN recombinante , se convirtió en la base de la biotecnología. [102]
E. coli es un huésped muy versátil para la producción de proteínas heterólogas , [103] y se han desarrollado varios sistemas de expresión de proteínas que permiten la producción de proteínas recombinantes en E. coli . Los investigadores pueden introducir genes en los microbios utilizando plásmidos que permiten un alto nivel de expresión de proteínas, y dichas proteínas pueden producirse en masa en procesos de fermentación industrial . Una de las primeras aplicaciones útiles de la tecnología del ADN recombinante fue la manipulación de E. coli para producir insulina humana . [104]
Muchas proteínas que antes se consideraban difíciles o imposibles de expresar en E. coli en forma plegada se han expresado con éxito en E. coli . Por ejemplo, se pueden producir proteínas con múltiples enlaces disulfuro en el espacio periplásmico o en el citoplasma de mutantes que se han vuelto suficientemente oxidantes para permitir la formación de enlaces disulfuro, [105] mientras que las proteínas que requieren modificaciones postraduccionales , como la glicosilación para su estabilidad o función, tienen se ha expresado utilizando el sistema de glicosilación ligada a N de Campylobacter jejuni diseñado en E. coli . [106] [107] [108]
Las células de E. coli modificadas se han utilizado en el desarrollo de vacunas , biorremediación , producción de biocombustibles , [109] iluminación y producción de enzimas inmovilizadas . [103] [110]
La cepa K-12 es una forma mutante de E. coli que sobreexpresa la enzima fosfatasa alcalina (ALP). [111] La mutación surge debido a un defecto en el gen que codifica constantemente la enzima. Se dice que un gen que produce un producto sin ninguna inhibición tiene actividad constitutiva . Esta forma mutante particular se utiliza para aislar y purificar la enzima antes mencionada. [111]
La cepa OP50 de Escherichia coli se utiliza para el mantenimiento de cultivos de Caenorhabditis elegans .
La cepa JM109 es una forma mutante de E. coli que tiene deficiencia de recA y endA. La cepa se puede utilizar para la detección azul/blanca cuando las células portan el episoma del factor de fertilidad. [112] La falta de recA disminuye la posibilidad de restricción no deseada del ADN de interés y la falta de endA inhibe la descomposición del ADN plasmídico. Por tanto, JM109 es útil para sistemas de clonación y expresión.
E. coli se utiliza frecuentemente como organismo modelo en estudios de microbiología . Las cepas cultivadas (por ejemplo, E. coli K12) están bien adaptadas al entorno del laboratorio y, a diferencia de las cepas silvestres , han perdido su capacidad de prosperar en el intestino. Muchas cepas de laboratorio pierden su capacidad de formar biopelículas . [113] [114] Estas características protegen a las cepas de tipo salvaje de anticuerpos y otros ataques químicos, pero requieren un gran gasto de energía y recursos materiales. E. coli se utiliza a menudo como microorganismo representativo en la investigación de nuevos métodos de esterilización y tratamiento del agua, incluida la fotocatálisis . Mediante métodos estándar de recuento en placa , después de diluciones secuenciales y crecimiento en placas de gel de agar, se puede evaluar la concentración de organismos viables o UFC (Unidades formadoras de colonias) en un volumen conocido de agua tratada, lo que permite una evaluación comparativa del rendimiento de los materiales. [115]
En 1946, Joshua Lederberg y Edward Tatum describieron por primera vez el fenómeno conocido como conjugación bacteriana utilizando E. coli como bacteria modelo, [116] y sigue siendo el modelo principal para estudiar la conjugación. [117] E. coli fue una parte integral de los primeros experimentos para comprender la genética de los fagos , [118] y los primeros investigadores, como Seymour Benzer , utilizaron E. coli y el fago T4 para comprender la topografía de la estructura genética. [119] Antes de la investigación de Benzer, no se sabía si el gen era una estructura lineal o si tenía un patrón de ramificación. [120]
E. coli fue uno de los primeros organismos en cuyo genoma se secuenció; El genoma completo de E. coli K12 fue publicado por Science en 1997. [62]
De 2002 a 2010, un equipo de la Academia de Ciencias de Hungría creó una cepa de Escherichia coli llamada MDS42, que ahora vende Scarab Genomics de Madison, WI con el nombre de "Clean Genome E. coli ", [121] donde 15 Se eliminó el % del genoma de la cepa parental ( E. coli K-12 MG1655) para ayudar en la eficiencia de la biología molecular, eliminando elementos IS , pseudogenes y fagos , lo que resultó en un mejor mantenimiento de los genes tóxicos codificados por plásmidos, que a menudo son inactivados por transposones. [122] [123] [124] La bioquímica y la maquinaria de replicación no se alteraron.
Al evaluar la posible combinación de nanotecnologías con la ecología del paisaje , se pueden generar paisajes de hábitat complejos con detalles a nanoescala. [125] En tales ecosistemas sintéticos, se han realizado experimentos evolutivos con E. coli para estudiar la biofísica espacial de la adaptación en una biogeografía insular en un chip.
En otros estudios, la E. coli no patógena se ha utilizado como microorganismo modelo para comprender los efectos de la microgravedad simulada (en la Tierra) sobre la misma. [126] [127]
Desde 1961, los científicos propusieron la idea de circuitos genéticos utilizados para tareas computacionales. La colaboración entre biólogos e informáticos ha permitido diseñar puertas lógicas digitales sobre el metabolismo de E. coli . Como el operón Lac es un proceso de dos etapas, la regulación genética en las bacterias se utiliza para realizar funciones informáticas. El proceso se controla en la etapa de transcripción del ADN en ARN mensajero. [128]
Se están realizando estudios que intentan programar E. coli para resolver problemas matemáticos complicados, como el problema de la ruta hamiltoniana . [129]
Se ha desarrollado una computadora para controlar la producción de proteínas de E. coli dentro de las células de levadura . [130] También se ha desarrollado un método para utilizar bacterias para que se comporten como una pantalla LCD . [131] [132]
En julio de 2017, experimentos separados con E. coli publicados en Nature mostraron el potencial de utilizar células vivas para tareas informáticas y almacenar información. [133] Un equipo formado con colaboradores del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard desarrolló una computadora biológica dentro de E. coli que respondía a una docena de entradas. El equipo llamó a la computadora "ribocomputadora", ya que estaba compuesta de ácido ribonucleico . [134] [135] Mientras tanto, investigadores de Harvard investigaron que es posible almacenar información en bacterias después de archivar con éxito imágenes y películas en el ADN de células vivas de E. coli . [136] [137] En 2021, un equipo dirigido por el biofísico Sangram Bagh realizó un estudio con E. coli para resolver problemas de laberinto 2 × 2 para probar el principio de la computación distribuida entre células. [138] [139]
En 1885, el pediatra austríaco alemán Theodor Escherich descubrió este organismo en las heces de personas sanas. La llamó Bacterium coli commune porque se encuentra en el colon. Las primeras clasificaciones de procariotas los ubicaban en un puñado de géneros según su forma y motilidad (en ese momento estaba en vigor la clasificación de bacterias de Ernst Haeckel en el reino Monera ). [98] [140] [141]
Bacterium coli era la especie tipo del ahora inválido género Bacterium cuando se reveló que faltaba la especie tipo anterior (" Bacterium triloculare "). [142] Tras una revisión de Bacterium , fue reclasificada como Bacillus coli por Migula en 1895 [143] y posteriormente reclasificada en el género recién creado Escherichia , que lleva el nombre de su descubridor original, por Aldo Castellani y Albert John Chalmers . [144]
En 1996, se produjo un brote de intoxicación alimentaria por E. coli en Wishaw, Escocia, que mató a 21 personas. [145] [146] Esta cifra de muertes se superó en 2011, cuando el brote de E. coli O104:H4 en Alemania en 2011 , vinculado a brotes de fenogreco orgánico, mató a 53 personas.
E. coli tiene varios usos prácticos además de su uso como vector para experimentos y procesos genéticos. Por ejemplo, E. coli se puede utilizar para generar propano sintético y hormona de crecimiento humano recombinante. [147] [148]
