Escherichia coli

Escherichia coli (E.coli), Enterobacteriaceae familyasının bir üyesi olup memeli canlıların kalın bağırsağında yaşadığı için bu adı alan bir bakteri türüdür. E.coli çubuk şeklindedir ve gram negatif bakteri olduğundan endospor oluşturmaz. E. coli yaklaşık 2,0 μm uzunluğunda ve 0,5 μm çapındadır. E.coli ilk olarak 1885 yılında Theodor Escherich tarafından bebek dışkısından izole edilmiş ve özellikleri belirlenmiştir. "E. coli, doğumdan birkaç saat sonra bebeklerin mide ve bağırsak sisteminde kolonize olur ve burada yaşar." E.coli suşları insan vücudunda herhangi bir olumsuz etki olmaksızın bir arada bulunur. Bununla birlikte, E. coli gastrointestinal bariyerleri aşınmış ve/ya da bağışıklığı baskılanmış konakçılarda hastalığa neden olabilir. Özellikle bir kısım E. coli, dünya genelinde insanlarda ve hayvanlarda bağırsakta ve bağırsak dışında çeşitli hastalıklara aracılık eder. İnsanlardan izole edilen E. coli suşları ishale ve bir takım bağırsak dışı hastalıklara neden olmaktadır.

Escherichia coli
Bir Escherichia coli bakterisinin elektron mikroskobunda görüntüsü
Biyolojik sınıflandırma
Üst âlem: Bacteria Şube: Proteobacteria Sınıf: Gammaproteobacteria Takım: Enterobacteriales Familya: Enterobacteriaceae Cins: Escherichia Tür: E. coli
İkili adlandırma
Escherichia coli (Migula 1895) Castellani and Chalmers 1919
Sinonimler
Bacillus coli communis Escherich 1885

Bakterinin Hastalıkta rolü

Escherichia coli, insanların ve hayvanların gastrointestinal yollarında birçok yaygın bakteriyel enfeksiyonun en sık nedenlerinden biridir. E.coli, konakçılarla karşılıklı yarar sağlayan bir birliktelik içinde yaşar ve nadiren hastalığa neden olur. Bununla birlikte, birçok hastalığa sebep olduğu için en yaygın insan ve hayvan patojenlerinden biridir. E. coli, enterit, idrar yolu enfeksiyonu, septisemi ve neonatal menenjit gibi diğer klinik enfeksiyonların önde gelen nedenidir. E. coli enfeksiyonlarının terapötik tedavisi, antimikrobiyal direncin ortaya çıkması nedeniyle tehdit altındadır. Çoklu ilaca dirençli E. coli suşlarının yayılması nedeniyle dünya çapında hastalıklar artmaktadır.

E. coli içinde hastalık yapan pek çok tipi vardır. Bunlar hasta ettikleri dokular ve hastalık mekanizmalarına bağlı olarak aşağıdaki "patotip" olarak gruplandırılırlar:

Bir E.coli bakteri kümesinin elektron mikroskobunda 10.000 kere büyütülmüş görüntüsü.

İshalli hastalıklar

İshalli hastalıklara neden olan E. coli tipleri aşağıdaki gruplara ayrılırlar:

• Enterotoksijen E. coli (ETEC) tipleri, enterotoksin üreterek hastalık yapar. Çeşitli toksinler vardır, bazıları bağırsak mukozasına zarar veren sitotoksik enterotoksinlerdir, bazıları bağırsak hücrelerinin su ve elektrolit salgılamalarına neden olan sitotonik enterotoksinlerdir. ETEC'den kaynaklanan diyare hastalığı, çok az veya hiç ateşin olmadığı, sulu ve kansız ishalin hızlı başlangıcı olarak karakterize edilir. Bunun yanı sıra karın ağrısı, halsizlik, bulantı ve kusma gibi semptomlarda eşlik eder. 24 ila 72 saat sonra bu semptomlar ortadan kalkar.
• Enteroinvazif E. coli (EIEC) tipleri, doku hücrelerinin içine girip çoğalırlar. Bunun yol açtığı enflamasyon tepkisi doku hasarını artırır. Ateşle birlikte şiddetli mukozal ve kanlı ishal, karın krampları, gıda kaynaklı patojenler EIEC türlerinden kaynaklanan basilli dizanterinin klinik özellikleridir.
• Enteropatojenik E. coli (EPEC) tipleri dokuya sıkıca bağlandıktan sonra bir enflamasyon reaksiyonu oluştururlar. Toksin salgılayarak değil, hücre içi sinyalizasyona etki ettikleri için ishale yol açtıkları düşünülmektedir. EPEC suşları, kötü hijyen koşullarında başta çocuklarda olmak üzere ishale neden olur.
• Enterohemorajik E. coli (EHEC) Bu grupta olanlar Enteropatojenik özellikler taşımaya ilaveten Şiga toksinleri salgılar. Bu gruba ait olanların en ünlüsü E. coli O157:H7'nin yol açtığı hastalık hemorajik kolit olarak adlandırılır. İnsanların E. coli O157:H7'yi kontamine yiyecek, su, enfekte hayvanlar ve insanlarla doğrudan temas ile aldığı bilinmektedir. EHEC ateşsiz kanlı ishal ve karın ağrısıyla birlikte lökosit sayısının 10.000/microL'nin üzerinde olduğunda kendini gösterir. EHEC'nin kuluçka süresi 3 ila 4 gündür.
• EnteroAggregatif E. coli (EAEC), karakteristik bir "yığılmış tuğla" modelinde epitel hücrelerine yapışmış bakteriler şeklinde görünür, ancak bunun dışında oldukça heterojendir. Bu gruba has bakterilerin salgıladığı toksinler mukozaya zarar verip kronik ishale yol açarlar.
• Diffusely Adherent E. coli (DAEC), Özelleşmiş fimbiralar sayesinde seyrek bir şekilde epitele bağlanırlar ve hücre içi sinyal mekanizmasını etkinleştirirler. DAEC'nin konakçı hücre ile etkileşime girmesine, toksinleri salmasına ve konakçı hücrelerde sinyal olaylarını harekete geçirir. DAEC, konakçı hücrelere bağlanır ve yapışır. E. coli'nin heterojen bir patotipi olarak tanımlanır. DAEC, 1.5 ila 5 yaş arasındaki çocuklarda ishal, yetişkinlerde idrar yolu enfeksiyonu (İYE), gebelik komplikasyonları ile ilişkilidir. DAEC çocuklarda sulu ishale neden olur. "Yetişkinler, Crohn's, çölyak ve inflamatuar bağırsak hastalıkları ve bazı kronik inflamatuar bağırsak hastalıklarında bulunan DAEC suşlarının asemptomatik taşıyıcılarıdır."

İdrar yolu enfeksiyonu

• Uropatojenik E. coli (UPEC) İdrar yolu enfeksiyonlarının �'ının nedenidir. Bu E. coli tipleri idrar yolu epitel hücrelerine özellikle bağlanabilen fimbriumlara sahiptir. Kadınların üretrasının erkeklerinkinden daha kısa olması nedeniyle bu enfeksiyon kadınlarda daha sıkça görülür. Dışkıdan gelen bakteri genelde cinsel ilişki sonucu idrar yoluna girer, bakteriler üretrayı tırmanıp mesaneye ulaşırlar. Mesane enfeksiyonuna sistit denir, tedavi edilmediğinde böbrek yangısına (piyelonefrit) dönüşebilir.

Virülans faktörleri

Shigella ve Salmonella familyasının üyeleri aslında E. coli'nin alt tipleridir. "Shiga toksinleri, Shigella dysenteriae bakterisi ve belirli E. coli suşları tarafından üretilen virülans faktörleridir." Çok çeşitli serotiplere ait Shiga toksin üreten E. coli (STEC) suşlarının insanlarda ciddi hastalıklara neden olabileceği kabul edilmiştir. O157:H7 bir STEC serotipidir. O157:H7  suşunun taşıdığı Shiga toksini geni, E.coli’ye Shigella’dan geçmiştir. Büyük salgınlarla ilişkilendirilen bir tip olmuştur.

• Pilus uzun, az sayıda ve yüzeylere tutunmaya yardımcı olan protein uzantılarını ifade eder. Fimbria terimi genellikle hücre yüzeyinden yüzlerce çıkıntı yapan kısa kıl benzeri proteinleri ifade eder. Pilus, gram-negatif bakterilerde bulunan önce sitoplazmik zarı sonra da çıkıntıları aracılığıyla dış zarı geçmesine izin verir. Pilus yapışma işlevi görür ve çeşitli yüzeylerle, diğer bakterilerle ve konakçı hücrelerle etkileşimlere aracılık eder. Fimbrialar, bir hücrenin yüzeylere ve diğer hücrelere tutunmasını sağlar. Bakteri hücreleri arasındaki DNA transferinde önemlidir. Fimbria ve pilus yapısal olarak benzerdir bu sebeple birbirinin yerine kullanılır. Zararsız E. coli 'ler de piluslara sahip olmakla beraber ETEC tiplerinde bulunan özelleşmiş piluslar onların ince bağırsak epitel hücrelerine bağlanmalarını sağlar. Bu sayede bakteri dışkıyla atılmayıp ince bağırsakta yerleşir ve orada çoğalabilir. Başka tip piluslar idrar yolu hücrelerine veya mesane hücrelerine bağlanmayı sağlarlar, bu yüzden idrar yolu enfeksiyonlarına yol açarlar.
• ETEC tiplerinin en belirgin ve etkili virülans faktörü, enterotoksinlerin salgılanmasıdır. İki tip enterotoksin vardır. Bunlardan ilki, ST eksotoksini, ikincisi ise LT eksotoksinidir. ST eksotoksini epitel hücrelerinin su emmelerini engeller, LT eksotoksini ise hücrelerin su ve elektrolit salgılamalarına neden olur. Bağırsaktaki su, tuz ve sıvı kaybına neden olarak insanlarda ve hayvanlarda salgısal ishale neden olur. Enterotoksinleri kodlayan genler, hem plazmitlerde hem de kromozomda (profajlar) bulunur. EHEC tipi bakterilerde ST ve LT eksotoksinleri yoktur, bunlar Şiga toksini salgılarlar, bu toksin bağırsak epitel hücrelerinin ölümüne yol açar, bu yüzden bağırsak su emme yeteneğini kaybederek kanlı ishale neden olur.
• Kapsül hücre duvarının dışında bulunan ve hücrenin çevresindeki yüzeylere tutunmasını sağlayan bir yapıdır.
• Hemolizin: E. coli suşları tarafından salgılanan sitolitik protein yapılı toksindir. Salınan demir bakteri için bir besin kaynağıdır. Alfa hemolizin ve beta hemolizin vardır. Hemolisin hly geni tarafından kodlanır. Hemolizinin üretimi ve taşınması için (hlyA, hlyB, hlyC, hlyD) genleri gerekmektedir.
• Sideroforlar (aerobaktin ve enterokelin) kandaki demiri toplamaya yarar. Kanamalı ishalde ve sistemik enfeksiyonlarda bakterinin büyümek için ihtiyaç duyduğu demiri sağlar.
• K1 antijeni bakterinin fagositozuna engel olur.
• Endotoksin hücre zarında bulunan bir glikolipittir, vücudun ona karşı gösterdiği kuvvetli tepki enflamasyonda önemli rol oynar.

Önleme

Güvenli suya erişim için ilk hedef E.coli enfeksiyonlarının önlenmesidir. Gıda ürünlerinden kaynaklanan enfeksiyonları önlemeye yönelik önlemler, uygun saklama ve pişirme sıcaklıklarını içerir. E. coli'nin bulaşmasına yönelik kanıtlanmış önleme yöntemleri arasında el yıkama ve iyileştirilmiş sanitasyon ve içme suyu yer alır, çünkü bulaşma gıda ve su kaynaklarının fekal kontaminasyonu yoluyla gerçekleşir. Ek olarak, E. coli'yi önleme yöntemlerinin arasında  eti iyice pişirmek, meyve suları ve süt gibi çiğ, pastörize edilmemiş içeceklerin tüketiminden kaçınmak yer alır. Son olarak, yemek hazırlarken mutfak gereçlerinin ve çalışma alanlarının çapraz kontaminasyonundan kaçınılmalıdır.

Tedavi

Antibiyotikler, insanlarda ve hayvanlarda E. coli enfeksiyonlarının kontrolü ve tedavisi için gereklidir. Uygun tedavi, enfeksiyonun nedeni olan E. coli tipinin antibiyotik duyarlılığına bağlıdır. Antibiyotiğe direnç gelişmesi büyüyen bir sorundur. "Antimikrobiyal direncin antibiyotik tüketim miktarı ile ilişkili olduğu kabul edilmektedir. Antimikrobiyallerin uygunsuz kullanımı ve yanlış kullanımı, normal insan bakteri florasındaki patojenlerin direncini artırdı." E. coli enfeksiyonlarını tedavide kullanılabilecek antibiyotikler arasında amoksisilin, trimethoprim-sulfamethoxazole, ciprofloxacin, nitrofurantoin sayılabilir. E. coli 'nin neden olduğu her hastalık için her antibiyotik uygun olmayabilir, bu konuda bir doktora danışmak gereklidir. Geniş spektrumlu beta-laktamaz üreten E.coli suşları çeşitli antibiyotiklere dayanıklı bir beta laktamaz enzimi üretirler ve bunların tedavisi çok daha zordur. Çoğu durumda bu suşlara karşı yalnızca iki oral antibiyotik ve damardan alınan sınırlı bir grup antibiyotik etkilidir.

Suşlar

Bakterilerde "suş", ortak özellikleri ile başka suş'lardan ayırdedilebilen bir gruptur. Bu farklılıklar genelde moleküler düzeyde algılanabilse de bakterinin fizyolojisi ve yaşam döngüsüne etki edebilirler, örneğin patojenliğe yol açabilirler. Farklı E. coli suşları farklı hayvanlarda yaşadıkları için sudaki dışkı kirlenmesinin kaynağını anlamak mümkündür. Yeni E. coli suşları doğal mutasyonlar sonucu sürekli olarak belirmektedir ve bunların bazılarının özellikleri içinde bulundukları konak hayvana zararlı olabilir. Çoğu sağlıklı insanda böylesi yeni bir E. coli suşu bir hafif bir ishale yol açsa da, küçük çocuklarda, başka bir hastalıktan dolayı zayıf düşmüşlerde veya bazı ilaçları alanlarda ciddi bir hastalık hatta ölüm meydana gelebilir.

E. coli’nin suşlarının sınıflandırılması, bakterilerin yüzeyindeki antijenler yoluyla yapılır. Serotiplendirme için ilk şema Kaufmann tarafından geliştirmiştir. Bu serotiplendirme E. coli’nin somatik (O), flagellar (H) ve kapsül (K) antijenlerine göre yapılır. O antijeni dış hücre zarını oluşturan lipopolisakkarit yapıdadır ve ısıya dirençli yüzey antijeni olarak tanımlanır. O antijeni, beş ya da daha fazla sayıda farklı polisakkarit grubu tarafından oluşturulmaktadır. "H" de flagelladaki antijeni belirtir. "1945 yılında Kauffmann ve Vahlne kapsül antijenini göstermek için K antijeni kavramını ortaya atmıştır." E. coli serotipleri arasında ölümcül olabilmesinden dolayı en ün yapmış olanı O157:H7'dir.

Evrimi

E. coli türünün içinde büyük bir çeşitlilik vardır. Bu, kısmen farklı ortamlarda yaşayan bakterilerin ufak mutasyonlar biriktirerek farklılaşmasından dolayı olsa da, çeşitliliğin büyük bir bölümü bazı genlerin başka bakterilerden ediniminden meydana gelir. Çeşitli patojen E. coli türlerinin farklı suşlardan kaynaklandıkları, bunların birbirlerinden bağımsız olarak virülans genlerini "yatay transfer" yoluyla elde ettikleri gösterilmiştir. Genomunda "genetik ada" olarak adlandırılan bölgelerde dışarıdan alınma genler kümelenir. Shigella türlerinin patolojik E. coli türlerinden evrimleştiği düşünülmektedir.

Mikrobiyolojide yeri

E. coli 'nin büyümesi ve bölünmesi. E. coli, orta kısmından yeni hücre duvarı yaparak büyür (solda). Bazı başka bakteriler ise (örneğin Corynebacterium diphtheriae) hücrenin kutuplarından büyür (sağda). Mavi ve kırmızı, sırasıyla, eski ve yeni hücre duvarını gösterir.

E. coli’nin kendine özgü özelliklerinden biri olan hem aerobik hem de anaeorobik koşullar altında büyüyebilme yeteneğine sahip olması onu biyoteknolojide önemli bir konak organizma yapar. Araştırmacılar bu bakteriyi büyük miktarda DNA veya protein üretmek amacıyla bir fabrika gibi kullanırlar. "Rekombinant DNA teknolojisi alanında en çok kullanılan mikroorganizmadır." Rekombinant DNA teknolojisinin ilk faydalı uygulamalarından biri E. coli 'nin manipüle edilerek onun diyabetli hastalar için insülin üretmesini sağlamak olmuştur. E. Coli, hem endüstriyel hem de medikal alanda birçok uygulamada kullanılmaktadır.

E. coli suşunun adı K-12'dir. E. coli K-12, laboratuvarda çalışılan en iyi bakteri türlerindendir. K12 suşu hastalık yapan faktörleri taşımaz ve hatta K12'nin ilk izolasyonundan günümüze geçen yıllar zarfında kapsül yapma yeteneğini kaybederek laboratuvar ortamına uyum sağlamış, artık doğal ortamında (yani insan bağırsağında) başka E. coli türleriyle rekabet edemeyecek kadar zayıflamıştır. K-12 suşu, Alkalin Fosfataz (ALP) enzimini aşırı eksprese eden bir E. coli mutant formudur. Mutasyon, enzimi sürekli olarak kodlayan gendeki bir kusur nedeniyle ortaya çıkar. Bu özel mutant form, yukarıda belirtilen enzimi izole etmek ve saflaştırmak için kullanılır.

Bakteriyel konjugasyon ve transdüksiyon E. coli K-12'de genetik araştırmayı mümkün hale getirmiştir ve moleküler biyolojinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. DNA'nın çoğalması, RNA transkripsiyonu, protein sentezi gibi, moleküler biyolojinin pek çok önemli mekanizması bu organizmada yapılan araştırmalarla anlaşılmıştır. Modifiye edilmiş E. coli hücreleri aşı geliştirme, biyoremediasyon, biyoyakıt üretimi, aydınlatma ve immobilize enzimlerin üretiminde kullanılmıştır.

Su saflaştırılması ve evsel atık su arıtımında önemi

Su arıtım sahasında E. coli yeni teknolojilerin gelişiminin en başından itibaren su kirliliğinin bir "göstergeci" olarak kullanılmıştır. E. coli'nin içme suyunda dışkı kontaminasyonunun en iyi bakteriyel göstergesini sağladığı görülmektedir. Sudaki dışkı miktarı koliform endeks aracılığıyla ölçülmüştür. E. coli genelde zararsız olmasına rağmen kirlenmenin ölçütü olarak kullanılmasının nedeni, seçmeli (fakültatif) anaerob olmasından dolayı E. coli 'nin kolay kültürlenebilmesidir. "Escherichia coli, optimal büyüme koşulları altında hızla büyüyebilir ve ~20 dakikada çoğalabilir."

Ayrıca, dışkıda bulunan E. coli sayısı patojen bakterilerin (örneğin tifo etmeni Salmonella typhi) sayısından çok daha fazladır. Su kirlenmesini belirlemek amacıyla yapılan nispeten basit testlerde E. coli 'ye benzeyen organizmalar için "koliform" terimi kullanılır. Ancak, bağırsaklarda yaşamayan bazı saprotrof bakteriler de koliform tanımına uyarlar. Ayrıca, dışkı kirlenmesi olmayan ortamlarda da E. coli 'nin var olabildiği gözlemlenmiştir. Buna rağmen, pratik nedenlerden dolayı dünyanın çoğu ülkesinde su temizliğiyle ilgili standartlar "koliform sayısı"na dayandırılır.

Dış bağlantılar

• Nataro & Kaper (1998) Clinical Microbiology Reviews, 11:142-201 Diarrheagenic Escherichia coli13 Haziran 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (İngilizce)
• E. coli serotipleri5 Kasım 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Encyclopedia of Escherichia coli Genes and Metabolism (EcoCyc)9 Mayıs 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (İngilizce)
• The Presence of Coliform Bacteria in Canadian Pulp and Paper Mill Water Systems - a Cause for Concern? - by Dr. F. Archibald (abstract only) (İngilizce)
• Coliform Bacteria and Nitrogen Fixation in Pulp and Paper Mill Effluent Treatment Systems27 Eylül 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. - by Dr. F. Archibald (full text) (İngilizce)
• Investigation of a UK outbreak by Brian Deer18 Nisan 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (İngilizce)
• The E. coli index: resource for E. coli as a model organism (İngilizce)
• coliBASE: E. coli genom veri tabanı (İngilizce)
• EchoBASE: an integrated post-genomic database for E. coli (İngilizce)
• E. coli istatikleri17 Temmuz 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (İngilizce)
• Escherichia coli K12 Nobel ödüllü Joshua Lederberg'den E. coli 'nin bilimde kullanımının tarihçesi (İngilizce)
• Wikimedia Commons'ta Escherichia coli ile ilgili çoklu ortam belgeleri bulunur.
• Vikitür'de Escherichia coli ile ilgili ayrıntılı taksonomik bilgiler bulunur.

Kaynakça ve notlar

• Medical Microbiology, Samuel Baron, ed.12 Mayıs 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. E. coli ile ilgili maddeler [2]12 Nisan 2007 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Textbook of Bacteriology13 Eylül 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. E. coli [3]9 Ekim 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.