فهرست مطالب
اشریشیاکلای شناخته‌شده‌ترین و مهم‌ترین ارگانیسم پروکاریوتی مطالعه‌شده در حوزه‌ی میکروبیولوژی و بیوتکنولوژی است که به‌عنوان ارگانیسم مدل مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساده بودن، در دسترس بودن توالی کامل ژنوم و توانایی رشد در هر دو شرایط هوازی و بی‌هوازی ویژگی‌هایی است که باعث شده تا این باکتری به‌عنوان ابزاری بسیار کاربردی در پژوهش‌های آزمایشگاهی به کار گرفته شود.
کشف این باکتری برای اولین بار در سال 1885 توسط یک پزشک آلمانی به‌نام تئودور اشریش (Theodoe Echerich) صورت گرفت؛ اشریش موفق شد تا باکتری E. coli را از مدفوع نوزدان جداسازی و مطالعه کند. این باکتری به‌طور معمول جزئی از میکروفلور طبیعی روده است و فقط چند ساعت پس از تولد در لوله‌ی گوارشی نوزاد کلونیزه می‌شود که به میزبان در هضم غذا و حفظ سلامت مسیر گوارشی نیز کمک می‌کند.
اغلب سویه‌های اشریشیاکلای بی‌خطر بوده و اهمیت و نقش آن‌ها به عنوان عوامل پروبیوتیکی، در حفظ سلامت روده بسیار حائز اهمیت است. با این وجود تعدادی سویه نیز از این باکتری شناخته شده که قادر به ایجاد علائمی از جمله تب، اسهال و دردهای شکمی هستند. در ادامه قصد داریم تا به بررسی جامعی از این باکتری، مورفولوژی و انواع سویه‌های آن بپردازیم.
مشخصات عمومی اشریشیاکلای
ایکلای یک کلی‌فرم فاقد اسپور بوده که به جنس Escherichia تعلق دارد. این باکتری غیر اسیدفست به‌صورت تکی و نیز جفت دیده می‌شود. این میکروارگانیسم به‌صورت باسیل و میله‌ای شکل با طولی در حدود 1-3 میکرومتر است. دمای مطلوب برای رشد آن، دمای طبیعی بدن انسان یا همان 37 درجه سانتی‌گراد است اما برخی از سویه‌های آزمایشگاهی قادر به رشد و تقسیم در دمای 49 درجه سانتی‌گراد نیز می‌باشند. اشریشیاکلای تنفس بی‌هوازی اختیاری دارد به این معنا که می‌تواند به دو صورت هوازی و نیز تخمیر متابولیسم خود را انجام دهد.
باکتری اشریشیاکلای قادر به حرکت بوده و دارای تاژک با سازماندهی پریتریکوس می‌باشد. با این حال تعداد بسیار کمی از سویه‌های این باکتری غیرمتحرک هستند. به عبارت بهتر سویه‌های دارای فیمبریه، هم به‌صورت متحرک و هم به‌صورت غیرمتحرک وجود دارند. دیواره‌ی سلولی این باکتری نازک بوده و فقط یک یا دو لایه پپتیدوگلیکان دارد. در برخی سویه‌ها به‌ویژه سویه‌های جداشده از عفونت‌های خارج روده‌ای کپسولی پلی‌ساکاریدی نیز مشاهده می‌شود.
ساختار آنتی‌ژنی
از نظر ساختار آنتی‌ژنی، E. coli دارای 3 نوع آنتی‌ژن است که طبقه‌بندی زیرسویه‌های مختلف آن براساس ساختار و وجود همین سه آنتی‌ژن صورت می‌گیرد:
- آنتی‌ژن پیکری یا آنی‌ژن دیواره‌ی سلولی که به آنتی‌ژن O موسوم است. 137 نوع از این آنتی‌ژن تا به حال شناسایی شده‌است.
- آنتی‌ژن کپسول یا آنتی‌ژن K که 103 نوع مختلف از این آنتی‌ژن وجود دارد.
- آنتی‌ژن تاژک یا آنتی‌ژن H که 75 نوع از آن مورد شناسایی قرار گرفته است.
زیستگاه
این باکتری کلی‌فرم را می‌توان در طیف گسترده‌ای از محیط‌های مختلف از جمله آب، مواد غذایی و نیز روده و دستگاه گوارش تحتانی انسان و حیوانات خون گرم یافت. باکتری اشریشیاکلای قادر به بقا در مدفوع، آب و خاک برای مدت طولانی بوده و به‌طور معمول به‌عنوان شاخص سنجش آلودگی آب در نظر گرفته می‌شود. نیچ اصلی این باکتری روده‌ی حیوانات خون گرم بوده و با تولید ویتامین‌های B و K به جلوگیری از کلونیزه شدن باکتری‌های پاتوژن در روده‌ی میزبان کمک می‌کند؛ از طرف دیگر مواد مغذی موجود در روده‌ی میزبان یک نیچ اکولوژیکی بسیار مناسب را برای زندگی باکتری فراهم آورده و مواد غذایی مورد نیاز را در اختیار آن قرار می‌دهد.
سویه‌های پاتوژن اشریشیاکلای
علاوه‌بر بی‌خطر بودن اغلب سویه‌های اشریشیاکلای تعدادی از سویه‌های این باکتری نیز تحت عنوان پروبیوتیک شناخته شده و به‌طور گسترده در صنایع دارویی کاربرد دارند. با این وجود تعدادی سویه‌ی پاتوژن نیز از ایکلای شناسایی شده‌است. پلازمیدها، ترنسپوزون‌ها، باکتریوفاژها و نیز جزایر بیماریزایی (pathogenicity islands) از جمله عوامل موثر در ایجاد سویه‌های پاتوژن هستند.
این سویه‌های پاتوژن ممکن است بسته به نوع ژن‌های بیماریزایی که حمل می‌کنند، در داخل و یا خارج از روده ایجاد بیماری و آسیب کنند. سویه‌هایی مرتبط با عفونت‌های خارج روده‌ای به‌طور معمول باعث ایجاد باکتریمی، اسهال مسافران، عفونت‌های مجاری ادراری و سپتی‌سمی می‌شوند که همگی عفونت‌هایی اندوژنوس بوده و منشا آن‌ها میکروبیوتای خود شخص است. از دیگر عفونت‌های خارج روده‌ای ایجاد شده توسط ایکلای می‌توان به مننژیت نوزادان و گاستروانتریتیس نیز اشاره کرد که شخص به‌صورت اکتسابی ممکن است به آن‌ها دچار شود.
سویه‌های پاتوژن ایجادکننده‌ی عفونت‌های روده‌ای نیز به‌طور خلاصه در جدول زیر آمده‌اند.
| درمان | تشخیص | عوامل حدت و بیماریزایی | جمعیت حساس و در معرض خطر | علائم بالینی | سویه |
| خودمحدودشونده، جبران کم آبی بدن و نیز در برخی موارد استفاده از درمان‌های ضد میکروبی | کشت و ردیابی عوامل حدت یا استفاده از الایزا و تکنیک‌های بر پایه‌ی PCR | ST, LT, CFs
انتروتوکسین‌های مقاوم به حرارت یا حساس به حرارت وابسته به پلازمید که افزایش ترشح مایعات و الکترولیت‌ها را تحریک می‌کند. |
کودکان زیر 5 سال و نیز بزرگسالان (کشورهای در حال توسعه) | اسهال آبکی بدون خون و سلول‌های التهابی، کم آب شدن بدن، تب، سردرد، تهوع و استفراغ | ETCE
(enterotoxigenic E. coli) انتروتوکسیژنیک اشریشیاکلای |
| خودمحدودشونده، جبران کم آبی با مصرف مایعات، در برخی موارد درمان ضد میکروبی | کشت، PCR و زیرسویه‌یابی، بررسی الگوی چسبندگی (LA LAL, etc.) | pEAF, BFP, LEE and Nle effectors | کودکان زیر 2 سال، به ندرت در بزرگسالان نیز رخ می‌دهد. | اسهال ترشحی و مداوم، بی اشتهایی، تب خفیف و دفع شدید | EPEC (enteropathogenic E. coli)
انتروپاتوژنیک اشریشیاکلای |
| خودمحدودشونده، جبران کم آبی با مصرف مایعات، در برخی موارد درمان ضد میکروبی | کشت، RT-PCR،DNA probe، بررسی الگوی چسبندگی و… | EAST Pet Pic ShET-1 Aap AAF/II | افراد در تمام سنین در کشورهای درحال توسعه و صنعتی ممکن است به این عفونت دچار شوند. | اسهال مداوم و حاد، مدفوع مخاطی، درد شکم، تهوع، استفراغ، گاهی تب | EAEC (enteroaggregative E. coli)
انترواگریگیتیو اشریشیاکلای |
| مصرف میزان کافی از مایعات به جبران آب از دست رفته کمک می‌کند و از حاد شدن وضعیت بیمار و نیاز به دیالیز و دریافت خون جلوگیری می‌کند. | آزمون‌های تکثیری برای ردیابی ژن‌های Stx، غربالگری سویه O157:H7 توسط سوربیتول مک‌کانکی‌آگار، سروتایپینگ، DNA probe، الایزا و لاتکس آگلوتیناسیون | Stx 1 and 2 verotoxins (VT) | در فصل تابستان میزان شیوع بالاتری دارد و به‌ویژه کودکان زیر 5 سال را درگیر می‌کند. | از اسهال خفیف و بدون عارضه تا کولیت هموراژیک همراه با درد شدید شکمی و اسهال خونی. | STEC/VTE/EHEC (a hybrid Pathotypes)
انتروهموراژیک اشریشیاکلای |
| فلوروکوئینولون‌ها به‌ویژه سیپروفلوکساسین، ماکرولیدها به‌ویژه آزیترومایسین و ریفاکسیمین از جمله آنتی‌بیوتیک‌های مورد استفاده در درمان عفونت با این سویه هستند. | بررسی مدفوع بیماران مشکوک با علائم عفونت روده‌ای، تست سرنی (sereny test)، پروب‌ها و آزمون‌های تکثیر برای ژن‌های تنظیم‌کننده‌ی تهاجم | تهاجم وابسته به پلازمید و تخریب سلول‌های اپیتلیال آستر کولون | اپیتلیوم کولون را مورد تهاجم قرار داده و باعث تخریب آن می‌شود که منجربه ایجاد بیماری می‌شود. علائم اولیه به‌صورت تب، کرامپ شکمی و اسهال آبکی بروز می‌کند؛ ممکن است به سمت دیسانتری یا اسهال خونی اندکی نیز پیشرفت کند. | EIEC (enteroinvasive E. coli)
انترواینویسیو اشریشیاکلای |
از میان سویه‌های پاتوژنی که ذکر شد، سویه‌ی انتروهموراژیک اشریشیاکلای میزان پاتوژنسیتی بالاتری دارد که شایع‌ترین سروتیپ آن، سروتیپ O157:H7 است. این سروتیپ شایع‌ترین سروتیپ مرتبط با بیماری شدید در انسان است به طوریکه این باکتری، سالانه مسبب 73000 عفونت و 60 مورد مرگ در ایالات متحده آمریکا می‌باشد. EHEC در ماه‌های گرم سال شایع بوده و اغلب از طریق میوه، سبزیجات، گوشت خام و شیر غیر پاستوریزه منتقل می‌شود. شیوع این باکتری در کودکان زیر 5 سال بالاتر است.
در سال 2006، این سویه منجربه یک شیوع گسترده گاستروانتریت چند منطقه‌ای بزرگ شد؛ در طی یک دوره‌ی 18 روزه در 25 منطقه، 173 مورد از بیماری گزارش شد. این آلودگی که از طریق اسفناج آلوده شیوع پیدا کرده بود به سرعت پس از شناسایی منبع آلودگی مورد کنترل قرار گرفت و متوقف شد. این امر اثبات می‌کند که آلودگی مواد غذایی حتی با تعداد اندکی از میکروارگانیسم‌ها می‌تواند منجربه شیوع عامل بیماریزای خاص نظیر EHEC شود.
راه‌های انتقال
استفاده از آب آلوده به این باکتری و نیز مواد غذایی آلوده، شیر پاستوریزه نشده، عدم رعایت بهداشت و نشستن دست‌ها باعث ایجاد عفونت و آلودگی با اشریشیاکلای در افراد می‌شود. عفونت مجاری ادراری (UTI) که از شایع‌ترین عفونت‌های ایجادشده توسط باکتری ایکلای است ممکن است از طریق انتقال این باکتری از مدفوع به ابتدای مجاری ادراری و ورود به مثانه ایجاد شود.
ویژگی‌های کشت
باکتری اشریشیاکلای، نیازهای ساده‌ای برای رشد دارد و به همین علت به راحتی در محیط آزمایشگاه امکان کشت و تکثیر آن مهیاست. از جمله محیط‌های کشتی که برای این باکتری مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌توان به محیط کشت مک‌کانکی‌آگار، نوترینت آگار و EMB آگار اشاره کرد. اشریشیاکلای علاوه‌بر رشد بر روی محیط‌های کشت جامد، در محیط‌های مایع نیز قادر به رشد می‌باشد.
محدوده‌ی دمایی که اشریشیاکلای در آن قادر به رشد و تکثیر است بین 10-40 درجه سانتی‌گراد می‌باشد؛ با این حال دمای اپتیموم رشد برای اغلب سویه‌ها همانطور که پیش‌تر نیز ذکر شد 37 درجه سانتی‌گراد است. طیف PH قابل تحمل برای این باکتری از 4.5 تا 9.5 است ولی باکتری بیشترین میزان رشد خود را در PH برابر با 7 دارد.
در جدول زیر به مشخصه‌های رشد باکتری اشریشیاکلای روی چند محیط کشت پر کاربرد پرداخته‌ایم.
| بلاد آگار | مک‌کانکی‌آگار | EMB آگار | نوترینت آگار | ویژگی‌های کشت |
| گرد | گرد | گرد | گرد | شکل |
| mm 3-1 | mm 3-2 | mm 3-2 | mm 3-1 | اندازه |
| محدب | محدب | محدب | محدب | برجستگی |
| در کشت‌های تازه به‌صورت صاف و در کشت‌های متوالی و سویه‌های دارای کپسول موکوئیدی سطح کلنی به‌صورت زبر و خشن است. | در کشت‌های تازه به‌صورت صاف و در کشت‌های متوالی و سویه‌های دارای کپسول موکوئیدی سطح کلنی به‌صورت زبر و خشن است. | در کشت‌های تازه به‌صورت صاف و در کشت‌های متوالی و سویه‌های دارای کپسول موکوئیدی سطح کلنی به‌صورت زبر و خشن است. | در کشت‌های تازه به‌صورت صاف و در کشت‌های متوالی و سویه‌های دارای کپسول موکوئیدی سطح کلنی به‌صورت زبر و خشن است. | سطح |
| جلای سبز فلزی | صورتی | جلای سبز فلزی | سفید مایل به خاکستری | رنگ |
| مات | مات | مات | نیمه شفاف
مات |
ساختار |
| دارای همولیز بتا | ندارد | ندارد | ندارد | همولیز |
| کلنی‌های صاف به راحتی قابلیت امولوسیون‌پذیری دارند.
انواع خشن به علت اینکه به‌صورت خود به خود آگلوتینه می‌شوند، قابلیت امولوسیون‌پذیری کمی دارند. |
کلنی‌های صاف به راحتی قابلیت امولوسیون‌پذیری دارند.
انواع خشن به علت اینکه به‌صورت خود به خود آگلوتینه می‌شوند، قابلیت امولوسیون‌پذیری کمی دارند. |
کلنی‌های صاف به راحتی قابلیت امولوسیون‌پذیری دارند.
انواع خشن به علت اینکه به‌صورت خود به خود آگلوتینه می‌شوند، قابلیت امولوسیون‌پذیری کمی دارند. |
کلنی‌های صاف به راحتی قابلیت امولوسیون‌پذیری دارند.
انواع خشن به علت اینکه به‌صورت خود به خود آگلوتینه می‌شوند، قابلیت امولوسیون‌پذیری کمی دارند. |
امولوسیون‌پذیری |
مقاومت آنتی‌بیوتیکی در سویه‌های اشریشیاکلای
ژن‌های مسئول مقاومت به مواد ضد میکروبی در بسیاری از باکتری‌های گرم منفی از جمله باکتری اشریشیاکلای یافت می‌شوند. این باکتری‌ها با مکانیسم‌های مختلفی نسبت به آنتی‌بیوتیک‌ها از خود مقاومت نشان می‌دهند. یکی از این مکانیسم‌ها تولید آنزیم‌هایی است که باعث تجزیه و از بین رفتن مواد ضد میکروبی و آنتی‌بیوتیک‌ها می‌شود.
به‌عنوان مثال سویه‌هایی از باکتری ایکلای قادر به تولید extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) هستند؛ ESBL به باکتری در برابر بتالاکتامازها که شامل سفالوسپورین‌ها، پنی‌سیلین‌ها، مونوباکتامازها و… می‌باشند، مقاومت می‌دهد. این آنزیم‌ها از طریق هیدرولیز هسته مرکزی آنتی‌بیوتیک‌های بتالاکتام باعث از بین رفتن اثرات و غیرفعال شدن آن‌ها می‌شوند.
همچنین سویه‌های دیگری از باکتری اشریشیاکلای قادر به تولید کارباپنماز (Carbapenemase-producing E. coli strains) بوده و باکتری را در برابر آنتی‌بیوتیک‌هایی چون imipenem، ertapenem و meropenemمقاوم می‌سازد.
اشریشیاکلای به‌عنوان ارگانیسم مدل
نیازهای غذایی ساده، سرعت رشد و تکثیر بالا و در دسترس بودن ژنوم اشریشیاکلای این باکتری را به پر کاربردترین پروکاریوت در مطالعات آزمایشگاهی تبدیل کرده است. علاوه‌بر این‌ها، این باکتری امکان تکثیر بسیاری از ویروس‌های باکتریایی (باکتریوفاژها) را فراهم کرده و این فرصت را در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد تا به راحتی و با جزئیات دقیق به مطالعه‌ی ساختار و پاتوژنسیتی این ویروس‌ها بپردازند.
همچنین توانایی رشد بر روی محیط‌های ارزان و نیز امکان انجام دستکاری‌های ژنتیکی با استفاده از ابزارهای موجود باعث شده تا اشریشیاکلای به‌عنوان ارگانیسمی مدل برای مطالعات ژنتیک مولکولی شناخته شود. شناخت کدهای ژنتیکی، بررسی فرایندهای همانندسازی DNA، کشف اپران‌ها و نیز طراحی ارگانیسم‌های GMO تنها بخشی از دستاوردهایی است که به لطف این باکتری مدل به دست آمده است.
پروبیوتیک
یکی از نکات جالب توجه در خصوص اشریشیاکلای این است که این باکتری اولین عضوی از میکروبیوتای روده است که پس از تولد در روده‌ی نوزاد کلونیزه می‌شود و تا پایان عمر نیز باقی می‌ماند. علاوه‌بر همزیستی با میزبان، این باکتری یک پروبیوتیک بوده و در بسیاری از موادغذایی و دارویی به‌عنوان مکمل خوراکی استفاده می‌شود.
نویسنده: ستاره سنگری
منابع:
کتاب میکروب‌شناسی مورای
2 نظرها