大肠杆菌（Escherichia coli）亦称大肠埃希氏菌，由德国奥地利儿科医生特奥多尔·埃舍里希于1885年发现。它是一种革兰氏阴性，主要寄生于人和动物的大肠内，约占肠道菌的1%， 是现代生物学中研究最多的细菌，其基因组序列已全部测出。用分子生物学方法在大肠杆菌得出的结论可用于其它生物的研究。

作为生物学研究的经典模型，其基因敲除技术更是推动了现代生物工程的迅猛发展。基因敲除大肠杆菌，特别是在实验室条件下，凭借其悠久的培养历史和操作的简便性，成为了研究基因功能、代谢途径及蛋白质表达的理想对象。

基因敲除大肠杆菌的应用

  • 基因功能研究：基因敲除大肠杆菌是研究基因功能的重要工具。通过敲除大肠杆菌中的特定基因，可以观察该基因缺失对大肠杆菌生长、代谢和繁殖等生物学过程的影响，从而揭示该基因的功能和作用机制。这种方法为科研人员提供了深入了解基因与生物体表型之间关系的途径，有助于推动生命科学领域的发展。
  • 生物合成与代谢工程：在生物合成和代谢工程领域，基因敲除大肠杆菌也被广泛应用。通过敲除大肠杆菌中与特定代谢途径相关的基因，可以优化其代谢途径，使其能够高效地合成特定的生物分子或化合物。例如，在药物生产方面，可以敲除大肠杆菌中与抗生素合成无关的基因，以减少不必要的副产物生成，提高抗生素的纯度和产量。此外，基因敲除大肠杆菌还可以用于生产其他有价值的化合物，如有机酸、氨基酸和酶等。
  • 疫苗开发：基因敲除大肠杆菌在疫苗开发方面也具有潜力。通过敲除大肠杆菌中的毒性基因或致病相关基因，可以构建出安全、有效的疫苗候选株。这种疫苗候选株在接种后能够刺激机体产生免疫反应，但不会引发疾病。这种方法为疫苗的开发提供了新的思路和方法，有助于推动疫苗领域的创新和发展。

 

 

 

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基因敲除大肠杆菌研究案例

案例一、基于CRISPR-Cas9系统的大肠杆菌基因敲除与代谢优化

科研人员利用CRISPR-Cas9系统对大肠杆菌进行了基因敲除，旨在优化其代谢途径，提高特定化合物的生产效率。在一项具体研究中，他们选择敲除了大肠杆菌中的sucAB和aceAK基因，这两个基因位于三羧酸（TCA）循环途径中。通过基因敲除，科研人员成功构建了重组菌株大肠杆菌BL21(DE3)ΔsucABΔaceAK。

随后，科研人员在该重组菌株中引入了L-异亮氨酸双加氧酶（IDO）基因，该酶能够催化L-异亮氨酸（L-Ile）转化为4-羟基异亮氨酸（4-HIL）。实验结果表明，与未进行基因敲除的大肠杆菌相比，重组菌株的L-Ile对4-HIL的生物转化率提高了约15%。

 

案例二、大肠杆菌recA、ldhA基因敲除与噬菌体诱导研究

《Nature》子刊《npj Biofilms and Microbiomes》上，一篇题为“Dietary D-xylose promotes intestinal health by inducing phage production in Escherichia coli”的文章以致病性大肠杆菌ATCC 25922为模型，深入探讨了基因敲除对噬菌体诱导和肠道健康的影响。该研究关注于大肠杆菌中recA和ldhA基因的敲除对噬菌体诱导的影响。科研人员以致病性大肠杆菌ATCC 25922为模型，利用基因编辑技术敲除了这两个基因。实验结果表明，敲除recA基因后，大肠杆菌的噬菌体产量显著降低；而敲除ldhA基因则抑制了D-乳酸的产生，并降低了噬菌体含量。

进一步的研究发现，D-木糖可以在体外激活大肠杆菌ATCC 25922的噬菌体，并抑制其在肠道中的存活。这一发现为缓解动物腹泻和开发抗生素替代品提供了新的思路。此外，科研人员还探讨了D-乳酸和丙酸在噬菌体诱导中的调节作用，以及SOS应答与噬菌体产生之间的关系。

 

综上所述，基因敲除大肠杆菌在生物科研领域具有广泛的应用前景和巨大的潜力。通过精确的基因编辑技术，科研人员可以优化大肠杆菌的代谢途径、提高特定化合物的生产效率、揭示基因功能等，为生命科学和生物技术领域的发展做出重要贡献。