细菌被严重低估了。从农业到调味，这些微生物以你可能都没意识到的方式至关重要。本系列还有另外三篇关于 固氮细菌、艺术修复 和 酿醋微生物 的文章。
我们习惯于在晚间新闻中听到关于大肠杆菌（更广为人知的名字是E. coli）作为一种可怕的病原体的报道，而且E. coli疫情确实是危险的公共卫生威胁。但你不仅现在就携带一些在你的肠道里，你实际上还欠这些微生物一份债——它们是许多现代科学和医学的基础。
例如，工程化改造的E. coli 生产辉瑞 COVID-19 疫苗的 mRNA 成分。它们还 在多种重要药物的开发和生产中发挥作用，包括 Taxol（治疗多种癌症）和 Certolizumab（治疗克罗恩病）。
在医疗保健领域之外，这种微生物已被工程化改造，可以将一种常见的不可回收材料和聚酯纤维的主要成分——对苯二甲酸乙二醇酯（PET）——分解成高用途化学品香兰素，这是香草豆的香气和味道的来源。这些微小的单细胞生物 甚至被训练成当它们遇到 TNT（地雷的化学痕迹）时会发光，从而使人道主义组织能够发现炸药并最终将其清除。
E. coli 取得巨大成功的几个关键属性是：
首先，这种微生物遍布温血动物的肠道，因此一直都可获得且供应充足。由于它能在体温下自然生长，实验室培养在温和的 37.4 摄氏度（99.3 华氏度）下进行。E. coli 对其生长环境和食物也不挑剔——它可以在有氧或无氧条件下生长，几乎可以吃任何东西作为燃料。也许最重要的是，E. coli 繁殖速度惊人，每 20 分钟翻一番。
但不仅仅是E. coli 自然适合实验室工作——人们为专注于这些细菌付出了共同的努力。
20 世纪 40 年代，来自德国的物理学家马克斯·德尔布吕克来到加州理工学院，偶然发现了在隔壁实验室被用作模式生物的E. coli。“对于一位有志于解开生物复制之谜的物理学家来说，一个个体能在几分钟内产生数百个后代的系统，简直是梦想成真，”哈佛医学院微生物学名誉教授罗伯托·科尔特（Roberto Kolter）这样写道，描述了德尔布吕克的研究发现。
在他用E. coli 证明了基因突变的随机性（这一发现是现代生物学的基石）之后，德尔布吕克提出了噬菌体条约。该文件要求细菌研究人员承诺使用特定的E. coli 菌株，以标准化早期细菌学工作，并允许跨多个实验室直接比较实验结果。
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威斯康星大学麦迪逊分校细菌学教授迈克尔·托马斯（Michael Thomas）表示：“通过决定让每个人都专注于有限数量的模式生物，这有助于我们对特定生物有深入的了解。”
从此，二十年的经典实验将E. coli 细胞内的机制确立为解析基本生物学概念的核心工具。DNA 作为主要遗传物质的角色和性质，以及 DNA 复制的机制，都在E. coli 中得到了阐明。
生物学的基本原理——DNA 翻译成 RNA，RNA 翻译成蛋白质——来自于 20 世纪 60 年代进行的E. coli 实验。托马斯解释说：“无论你是生物化学家、遗传学家、神经生物学家，我们都信奉一个共同的信念，即 DNA 产生 RNA，RNA 产生蛋白质，事情就是这样运作的。与物理或化学相比，生物学不是一门成熟的科学，直到 20 世纪提出了这个范式，而E. coli 处于中心地位。”
随着E. coli 牢固地确立为微生物学家标准的模式生物，用于操纵这些细菌的优质工具呈指数级增长。其中最具影响力的可能是 重组 DNA（rDNA），这是一小段可以在活细胞之间转移的遗传物质。
rDNA 使得研究人员能够组合来自不同物种的基因，并将它们引入其他不天然表达这些性状的生物体。例如，在一种鱼类物种中进化的荧光性状可以通过 rDNA 转移到细菌甚至人类细胞中。人工基因组通常被打包成一种称为质粒的环状 DNA。
要将质粒“剪切”并“粘贴”到活体生物的现有基因组中，需要两种蛋白质：限制酶，它们在特定位置剪切 DNA；以及称为连接酶的连接酶，它们将质粒“粘合”到位。宿主 DNA 被切开，质粒被插入缺口，连接酶修复了限制酶造成的切口。如果整合成功，宿主生物将像质粒上的基因一直存在一样表达该基因。
质粒如今被广泛使用，尤其是在与E. coli 结合使用时，研究人员可以购买到整套现有的、预先制备好的 DNA 序列库。科尔特说，在早期，实验室会从头开始构建原始质粒来匹配他们的具体项目，但“随着科学研究的商业化”，基因转化能力就像以往一样容易获得。
质粒技术是辉瑞 mRNA 疫苗生产过程的核心。一种编码冠状病毒刺突蛋白的序列被插入E. coli 细胞中，这些细胞生长并生成原始质粒中包含的 DNA 序列的许多拷贝。然后，复制的 DNA 从E. coli 细胞中分离出来，并被转移到另一个设施进行转录，转录成实际疫苗中的 mRNA。
虽然E. coli 对早期微生物学做出了重要贡献，并且至今仍在多种形式的生物学研究中发挥着关键作用，但它绝不是“完美”的模式生物。例如，这种细菌过于简单，不足以作为人类细胞的良好模型。
然而，即使在研究更复杂的系统时，托马斯说E. coli 也是基因工程广泛使用的第一步，是一种检验在进入更复杂的宿主之前，拟议的改变是否能在简单细菌中奏效的试金石。无论实验室是想生产某种生物燃料、化学品、抗生素还是某种特定的酶，第一步都是看看它是否能在E. coli 中产生。
他解释说：“速度带来了巨大的好处，你可以比许多其他生物体更快地检验你的假设是否正确。因为它们生长速度很快，你可以很容易地操纵它们来获得比较。” 凭借其作为生物学研究不可或缺的组成部分的悠久历史，E. coli 将在未来几十年里继续被实验室使用。尽管这种微小生物体已经成为研究的焦点很长时间，但它的效用肯定尚未枯竭。
