Escherichia coli

Escherichia coli, insanlar da dahil olmak üzere sıcakkanlı hayvanların alt bağırsaklarında yaygın olarak yaşayan, yaklaşık 1,0–2,0 mikrometre uzunluğunda ve 0,5 mikrometre çapında, Gram-negatif, çubuk şeklinde, fakültatif anaerobik bir bakteridir^[1]^[2]. İlk olarak 1885 yılında Avusturyalı çocuk doktoru Theodor Escherich tarafından yenidoğanların dışkısından izole edilen türe onun adı verilmiştir ve Escherichia cinsinin tip türü olarak görev yapmaktadır^[3]. Sağlıklı konakçılarda, çoğu suş bağırsak mikrobiyotasının kommensal üyeleri olarak işlev görür; sindirime yardımcı olur, K ve B-kompleks gibi vitaminleri sentezler ve zararlı patojenleri rekabet yoluyla dışlar^[4].

Enteropatojenik, enterotoksijenik, enterohemorajik ve ekstraintestinal patojenik E. coli gibi patotipler halinde sınıflandırılan belirli suşlar, turist ishalinden idrar yolu enfeksiyonlarına ve hemolitik üremik sendrom gibi ciddi durumlara kadar değişen enfeksiyonlara olanak tanıyan Shiga toksinleri veya adezinler gibi virülans faktörleri üretir^[5]^[6]. Genellikle kontamine yiyecek veya su yoluyla edinilen bu patojenik varyantlar, kanlı ishal ve böbrek yetmezliği ile bağlantılı O157:H7 gibi enterohemorajik suşlarla halk sağlığı riskleri oluşturur^[1]. Birçok izolat, ampisilin, tetrasiklin ve sülfametoksazol gibi antibiyotiklere karşı genleri yayan plazmitler ve hareketli genetik elementler tarafından yönlendirilen çoklu ilaç direnci sergiler; bu durum tedaviyi zorlaştırır ve antimikrobiyal kullanımdan kaynaklanan evrimsel baskıları vurgular^[7]^[8].

Patojenitesinin ötesinde E. coli; optimal koşullar altında 20 dakikalık hızlı ikiye katlanma süresi, iyi karakterize edilmiş genomu ve genetik manipülasyona uygunluğu nedeniyle moleküler biyoloji, genetik ve biyoteknolojide önde gelen prokaryotik model organizma olarak durmaktadır^[9]^[10]. DNA replikasyonu, transkripsiyon ve translasyon mekanizmaları dahil olmak üzere çok önemli keşifler E. coli kullanılarak aydınlatılmıştır ve insülin ve aşılar gibi farmasötikler için heterolog protein ekspresyonunu mümkün kılan rekombinant DNA teknolojisi için “yük beygiri” olmaya devam etmektedir^[11]^[12]. Çok yönlülüğü, mikrobiyal fizyoloji ve evrimin temel prensiplerinin altını çizer, ancak translasyon sonrası modifikasyonlardaki sınırlamalar, karmaşık ökaryotik proteinler için alternatif konakçıları gerektirir^[13].

Taksonomi ve Temel Biyoloji

Morfoloji ve Hücresel Yapı

Escherichia coli, Gram-negatif bakterilere özgü çubuk şeklinde (basil) bir morfoloji sergiler ve hücreler tek tek veya çiftler halinde bulunur^[14]. Bireysel hücreler yaklaşık 1 ila 3 \(\mu\text{m}\) uzunluğunda ve 0,4 ila 0,7 \(\mu\text{m}\) çapındadır; bu da 0,6 ila 0,7 \(\mu\text{m}^3\) hacme karşılık gelir, ancak boyutlar büyüme koşulları ve suşlara göre değişebilir^[14]^[15]. Hareketli suşlar, hücre yüzeyine dağılmış peritriköz kamçılara sahiptir ve proton itici gücü ile çalışan rotasyon yoluyla yüzme hareketliliği sağlar; her bir kamçı 3 ila 12 \(\mu\text{m}\) uzunluğunda ve 12 ila 30 nm çapındadır ve esas olarak flagellin proteininden oluşur^[16]^[17].

Hücre zarfı, iç sitoplazmik membran, periplazmik boşlukta ince bir peptidoglikan tabakası ve bir dış membrandan oluşur^[16]. 2 ila 7 nm kalınlığında ve 1 ila 2 katmandan oluşan peptidoglikan kesecik, turgor basıncına karşı yapısal bütünlük ve şekil koruması sağlar^[18]. Yaklaşık 7,5 ila 10 nm kalınlığındaki dış membran, lipit A, çekirdek polisakkarit ve O-antijen zincirlerine sahip lipopolisakkarit (LPS) molekülleri içerir ve porinler aracılığıyla 600 ila 700 Da’nın altındaki moleküller için seçici bir geçirgenlik bariyeri oluşturur^[16]. Braun’un lipoproteini, dış membranı peptidoglikana kovalent olarak bağlayarak zarf stabilitesini artırır^[19].

Yüzey uzantıları arasında fimbrialar (pili) bulunur; patojenik suşlar, konak dokulara yapışmak için hücre başına 200’e kadar fimbria taşır; tip 1 fimbrialar mannoza duyarlıdır ve hemaglütinasyona aracılık eder^[16]. Dahili olarak, sitoplazma membrana bağlı organellerden yoksundur ve protein sentezi için 70S ribozomları, inklüzyon cisimciği ve metabolik enzimleri içerir^[14]. Genom, nükleoid bölgesinde tek bir dairesel kromozom olarak bulunur, yaklaşık 4,6 Mb büyüklüğündedir ve birçok suş, antibiyotik direnci gibi özellikler sağlayan plazmitler barındırır^[19].

Sınıflandırma ve Filogeni

Escherichia coli; Bakteriler alemi, Proteobakteriler şubesi, Gammaproteobakteriler sınıfı, Enterobakterler takımı, Enterobakterigiller familyası, Escherichia cinsi ve coli türü içinde sınıflandırılır^[20]^[21]. İkili adlandırma olan Escherichia coli, bakteriyi 1885 yılında bebeklerin dışkısından izole eden ve Bacterium coli commune olarak tanımlayan Theodor Escherich’i onurlandırır^[22]. Bu tür, katı morfolojik sınırlardan ziyade öncelikle genomik ve fenotipik özelliklerle ayırt edilen ve tip suşu E. coli K-12 olan çok çeşitli suşları kapsar^[23].

Filogenetik olarak E. coli, Escherichia/Shigella kompleksinin bir parçasını oluşturur; burada Shigella türleri, tüm genom analizlerine dayanarak genellikle E. coli içindeki türemiş soylar olarak kabul edilir, ancak tarihsel ve klinik ayrımlar nedeniyle ayrı cinsler olarak korunur^[24]. E. coli suşları, çoklu lokus sekans tiplemesi ve diğer genomik belirteçler kullanılarak A, B1, B2 ve D gibi ana filogenetik gruplara ayrılır; özellik frekans profili ağaçlarında B2 grubu temel soy olarak tanımlanmış ve bu da üropatojenik suşların erken ayrışmasını düşündürmektedir^[25]^[24]. Bu gruplar ekolojik nişler ve patojenite ile ilişkilidir: A ve B1 grupları kommensal bağırsak popülasyonlarında baskınken, B2 ve D grupları ekstraintestinal patojenik izolatlarda zengindir; bu durum yatay gen transferi ve seçim baskılarıyla yönlendirilen adaptif evrimi yansıtır^[26].

Genişletilmiş genomik araştırmalar, çeşitliliğin daha ince çözünürlüğünü ortaya koyarak 14’e kadar filogrup (C, E, F ve B2-1 ve D1–D3 gibi alt gruplar dahil) tanımlamıştır; örneğin, grup A küresel olarak en yaygın olanıdır (medyan suşların %36,1’i), bunu D (%21,5), B2 (%20) ve B1 (%16,4) izler^[27]^[28]. Filogenetik yapılandırma, habitat ve virülans profillerinin genetik çeşitliliği etkilediği (örneğin B1 suşlarının su ortamlarında yaygınlığı gibi) konakçı ile ilişkili nişler içinde E. coli‘nin panmiktik doğasını vurgular^[29]. Bu sınıflandırma, filogrup dağılımının konakçı ve coğrafyaya göre değişmesi nedeniyle epidemiyolojik takibi bilgilendirir ve yalnızca serotiplemeye dayanmadan kommensal varyantların patojenik olanlardan ayırt edilmesini sağlar^[30].

Fizyoloji ve Metabolizma

Büyüme Özellikleri ve Hücre Döngüsü

Escherichia coli, optimal laboratuvar koşulları altında hızlı büyüme sergiler; Luria-Bertani buyonu gibi besin açısından zengin ortamlarda 37°C’de yaklaşık 20 dakikalık bir nesil süresi veya ikiye katlanma süresi vardır^[31]^[32]. Bu hızlı replikasyon, E. coli‘nin saatler içinde kesikli kültürlerde lag evresinden eksponansiyel büyümeye ve durağan evreye geçerek yüksek popülasyon yoğunluklarına ulaşmasını sağlar^[33]. Büyüme fakültatif anaerobiktir; hem aerobik hem de oksijen sınırlı ortamlarda çoğalmaya izin verir, ancak aerobik koşullar solunumdan elde edilen verimli enerji verimi nedeniyle tipik olarak daha hızlı oranları destekler^[34].

Optimal sıcaklık aralığı 30–40°C olup, maksimum oranlar 37°C olan insan vücut sıcaklığına yakındır; 23°C’nin altında veya 40°C’nin üzerinde büyüme önemli ölçüde yavaşlar ve ekstrem suşlar kısa süreliğine 49°C’ye kadar tolere edebilir^[33]. pH gereksinimleri, en yüksek büyüme için 7,0–7,5 civarında nötrlüğü tercih eder ve tolerans 4,5–9,5’e kadar uzanır, ancak asidik veya alkalin kaymalar lag evrelerini uzatır ve bölünme oranlarını azaltır^[20]^[32]. Besin mevcudiyeti, özellikle glikoz gibi karbon kaynakları, eksponansiyel evre kinetiğini yönlendirirken, besin tükenmesi hayatta kalmayı artıran stres tepkileri de dahil olmak üzere durağan evre adaptasyonlarını tetikler^[35]. Doğal bağırsak ortamlarında, sınırlı kaynaklar nedeniyle ikiye katlanma süreleri laboratuvar optimumlarının aksine 12–15 saate kadar uzar^[35].

E. coli hücre döngüsü, ayrı bir mitoz eşdeğeri olmaksızın, kromozom replikasyonu ve ikiye bölünme yoluyla sitokinez tarafından yönetilen örtüşen süreçlerden oluşur^[36]. Doğumdan replikasyon başlangıcına kadar büyüme hızıyla değişen bir B periyodu; oriC‘den ter‘e iki yönlü DNA replikasyonu için yaklaşık 40 dakikalık sabit bir C periyodu; ve replikasyonun sonlanmasından septum oluşumu ve bölünmeye kadar kabaca 20 dakikalık bir D periyodu içerir^[37]^[38]. Hızlı büyüme altında (ikiye katlanma süresi <60 dakika), çok çatallı replikasyon önceki turlar tamamlanmadan başlar ve her yavrunun tam olarak replike edilmiş bir kromozom miras almasını sağlar^[39].

oriC‘de başlangıç, döngü ilerlemesini hücre kütlesi ve enerji durumuna bağlayan DnaA protein birikimi ile sıkı bir şekilde düzenlenirken, bölünme zamanlaması, yanlış yerleşimi önlemek için Min ve Nükleoid Oklüzyon sistemlerinden etkilenen orta hücredeki FtsZ halka montajı ile koordine edilir^[40]^[38]. C + D toplamı (~60 dakika) asgari bir nesil süresi eşiği belirler; daha hızlı bölünmeler, B periyodunun sıkıştırılmasına ve replikasyon örtüşmesine dayanır, böylece 20 dakikadan saatlere kadar ikiye katlanma sürelerini destekleyen çeşitli ortamlarda genomik stabilite korunur^[37]. Bireysel hücre döngülerindeki değişkenlik, stokastik başlangıç ve bölünme olaylarından kaynaklanır, ancak kararlı durumdaki kemostatlarda popülasyon düzeyinde senkronizasyon ortaya çıkar^[41].

Metabolik Yolaklar ve Düzenleme

Escherichia coli, değişen oksijen mevcudiyeti altında çeşitli karbon kaynaklarında büyümeyi sağlayan oldukça çok yönlü bir metabolizmaya sahiptir. Merkezi katabolik yolaklar, glikozu piruvata dönüştüren ve ATP ile NADH üreten Embden-Meyerhof-Parnas glikolizini içerir. Aerobik koşullar altında, piruvat trikarboksilik asit (TCA) döngüsü yoluyla oksitlenir ve glikoz molekülü başına 38 ATP’ye kadar verim sağlayan verimli enerji üretimi için oksidatif fosforilasyon ile eşleşir. Pentoz fosfat yolu, biyosentez için NADPH ve nükleotidler için riboz-5-fosfat sağlamak üzere glikolizden dallanır. Anaerobik olarak, harici elektron alıcılarının yokluğunda, E. coli karışık asit fermantasyonuna geçerek glikozdan laktat, asetat, etanol, süksinat, format, CO2 ve H2 üretir; substrat düzeyinde fosforilasyon yoluyla glikoz başına net 2 ATP verimi elde edilir.^[42]^[43]Amino asitler, nükleotidler ve lipitler için anabolik yolaklar, glikoliz, TCA ara maddeleri ve pentoz fosfat yolundan öncüler alarak merkezi metabolizma ile entegre edilmiştir. Örneğin, trp operonu, şikimat yolu ürünü olan korismattan triptofan biyosentezi için enzimleri kodlar. ^[44]Biyosentetik akışlar, son ürün inhibisyonu ve transkripsiyonel baskılama ile modüle edilir; aşırı triptofan Trp baskılayıcısına bağlanarak trp operon transkripsiyonunu engellerken, zayıflatma (attenuation), triptofan bol olduğunda erken transkripsiyonu sonlandırarak ek ince ayar sağlar. ^[44]Metabolik yolakların düzenlenmesi, transkripsiyonel, translasyon sonrası ve allosterik seviyelerde gerçekleşir ve cAMP reseptör proteini (Crp) tarafından küresel kontrol sağlanır. Düşük glikoz altında (katabolit baskılama rahatlaması yoluyla) cAMP tarafından aktive edilen Crp, alternatif şekerler ve TCA döngüsü enzimleri için katabolik genleri doğrudan indüklerken, karbon sınırlaması sırasında RNA polimerazı ve ribozomları tutarak anabolik yolları dolaylı olarak baskılar. ^[45]lac operonu indüklenebilir düzenlemeyi örneklendirir: laktoz (allolaktoz olarak), Lac baskılayıcısını inaktive ederek \(\beta\)-galaktosidaz, permeaz ve transasetilaz transkripsiyonuna izin verir, ancak tam indüksiyon için glikoz kıt olduğunda Crp-cAMP bağlanması gerekir. ^[46]Fosforilasyon ve metabolit seviyeleri, glikoliz ve asetat metabolizmasındaki enzim aktivitelerini daha da ayarlayarak akış dengesini sağlar. ^[47]Bu katmanlı kontrol, açlık sırasında katabolizmaya öncelik vererek kaynak tahsisini optimize eder. ^[45]

Genetik ve Genomik

Genom Organizasyonu ve Boyutu

Escherichia coli‘nin genomu, genetik bilginin birincil deposu olarak hizmet eden tek bir dairesel kromozomdan oluşur; K-12 MG1655 gibi laboratuvar referans suşları 4.639.675 baz çiftlik (bp) bir kromozoma sahiptir^[48]. Bu boyut, yaklaşık 4,6 megabazlık (Mb) toplam genomik uzunluk sağlar ve 4.288 protein kodlayan geni ve 206 RNA genini kodlar^[49]. Çeşitli E. coli suşları arasında kromozom boyutları yaklaşık 4 Mb ile 6 Mb arasında değişir; bu durum, insersiyon dizileri (IS), profajlar ve patojenite adaları gibi hareketli genetik elementlerin eklenmesini yansıtır; bu eklemeler patojenik varyantlarda genomu genişletirken, kommensal suşlar genellikle daha düzenli konfigürasyonları korur^[50].

Kromozom, replikasyon başlangıç bölgesi oriC‘den kaynaklanan ve hücre bölünmesi sırasında iki yönlü replikasyonu kolaylaştırmak için bunun karşısındaki bitiş bölgesinde birleşen iki replikora bölünmüş iki parçalı bir organizasyon sergiler^[51]. Genler, işlevsel olarak ilişkili proteinlerin koordineli ekspresyonunu sağlamak için, laktoz metabolizması veya amino asit biyosentezinde yer alanlar gibi, ortak düzenleyici promotörler altında sırayla kopyalanan birimler olan operonlarda ağırlıklı olarak düzenlenmiştir^[52]. Bu doğrusal kümelenme, düzenleyici karmaşıklığı ve birlikte düzenlenen elemanlar arasındaki uzamsal mesafeleri en aza indirir; analizler, aynı regülon içindeki operonların transkripsiyonel girişimi azaltacak şekilde konumlandığını göstermektedir^[52].

İn vivo olarak kromozom, süper sarmallanma, nükleoid ilişkili proteinler (örneğin HU, H-NS, Fis) ve verimli sıkıştırma ve ayrışma için DNA’yı ilmekli alanlara ve makro alanlara organize eden RNA-protein etkileşimleri yoluyla hücre hacminin kabaca %15’ini kaplayan bir nükleoid yapıya yoğunlaşır^[53]^[54]. Birçok suş ayrıca, temel kromozom boyutunu değiştirmeden genomik plastisiteye katkıda bulunan, antibiyotik direnci veya konjugasyon gibi özellikler için aksesuar genler taşıyan, birkaç kilobazdan 100 kb’nin üzerine kadar değişen ekstrakromozomal replikonlar olan bir veya daha fazla plazmit barındırır^[55]. Suşlar arasında paylaşılan çekirdek genom yaklaşık 2.000 ila 4.000 genden oluşurken, pan-genom suşa özgü kazanımlar nedeniyle 18.000’i aşmaktadır^[56].

Gen İsimlendirmesi ve Düzenlenmesi

Escherichia coli‘de genler, 1966’da Demerec ve arkadaşları tarafından oluşturulan ve sonraki kullanımlarla geliştirilen standartlaştırılmış bir isimlendirme kullanılarak belirtilir; burada her lokus, laktoz kullanımı için lac veya triptofan biyosentezi için trp gibi işlevini veya fenotipini yansıtan üç harfli italik küçük harfli bir kısaltma ile temsil edilir^[57]^[58]. Aynı operon veya yolak içindeki genler, eklenen harflerle ayırt edilir (örneğin \(\beta\)-galaktosidazı kodlayan lacZ, laktoz permeazı kodlayan lacY); protein ürünleri ise aynı sembolle ancak büyük harfle ve italik olmayan şekilde belirtilir (örneğin LacZ)^[59]. Mutant aleller, gen adından sonra gelen üst simge sayıları veya tanımlayıcılarla (örneğin lacZ¹) gösterilirken, yabanıl tip aleller işaretsizdir veya + ile gösterilir^[57]. E. coli genlerinin yaklaşık %35’i, özellikle işlevi bilinmeyenler, karakterize edilene kadar yer tutucu görevi gören “y” ile başlar (örneğin yaaA)^[60].

E. coli‘de gen düzenlemesi, ağırlıklı olarak, tek bir promotör altında koordineli olarak eksprese edilen gen kümeleri olan operonlar aracılığıyla transkripsiyonel düzeyde gerçekleşir ve RNA polimeraz bağlanmasını modüle eden baskılayıcılar (repressor), aktivatörler ve sigma faktörlerini içerir^[61]. Kanonik lac operonunda, LacI baskılayıcısı laktoz yokluğunda operatöre bağlanarak transkripsiyonu önler; allolaktoz (bir indükleyici) LacI’ye bağlanarak baskılamayı hafifletirken, düşük glikoz altında cAMP tarafından aktive edilen katabolit aktivatör proteini (CAP), tam indüksiyon için RNA polimeraz toplanmasını artırır^[62]. trp operonu gibi baskılanabilir sistemler, zayıflatma (attenuation) ve TrpR baskılayıcısının triptofana bağlanmasını kullanarak amino asit bol olduğunda transkripsiyonu azaltır^[57]. CRP (karbon mevcudiyeti için) ve sigma faktörleri (örneğin, temizlik genleri için \(\sigma^{70}\), stres yanıtı için \(\sigma^{S}\)) gibi küresel düzenleyiciler çevresel sinyalleri entegre eder; 300’den fazla transkripsiyon faktörü, doğrudan RNA polimeraz etkileşimleri veya DNA döngüsü yoluyla promotör aktivitesini kontrol eder^[63]^[61]. mRNA stabilitesini ve translasyonunu modüle eden küçük kodlamayan RNA’lar dahil olmak üzere transkripsiyon sonrası mekanizmalar ek ince ayar sağlar, ancak standart büyüme koşulları altında transkripsiyonel kontrol baskındır^[64].

Genom Plastisitesi ve Evrim

Escherichia coli genomu, çeşitli ortamlara hızlı adaptasyonu kolaylaştıran genetik materyalin sık kazanımı, kaybı ve yeniden düzenlenmesi ile karakterize edilen yüksek plastisite sergiler. Bu plastisite, öncelikle, F plazmidi gibi plazmitler aracılığıyla konjugasyon, bakteriyofajlar yoluyla transdüksiyon ve yetkin koşullar altında doğal transformasyon dahil olmak üzere yatay gen transferi (HGT) mekanizmalarından kaynaklanır^[65]^[66]. İnsersiyon dizileri (IS), transpozonlar ve integronlar gibi hareketli genetik elementler, genomik yeniden düzenlemeleri ve gen mobilizasyonunu teşvik ederek daha fazla katkıda bulunur^[67]. Patojenik suşlarda bu plastisite, adezinleri veya toksinleri kodlayanlar gibi virülans faktörlerinin, genellikle HGT yoluyla edinilen patojenite adaları aracılığıyla entegrasyonunu sağlar^[68].

Karşılaştırmalı genomik, E. coli‘de, tüm suşlarda bulunan yaklaşık 2.400 genden oluşan bir çekirdek genom ve izolatlar arasında değişkenlik gösteren 5.000’den fazla genden oluşan bir aksesuar genom içeren bir pan-genom yapısını ortaya koymakta ve devam eden gen akışını yansıtmaktadır^[69]. Bu pan-genomun açık doğası, HGT’nin gen repertuarını sürekli olarak genişlettiğini ve özellikle yerleşik suşların hızla gen alışverişinde bulunduğu bağırsak gibi konakçı ile ilişkili nişlerde çeşitliliği yönlendirmede dikey kalıtımdan daha ağır bastığını göstermektedir^[70]^[66]. Bununla birlikte, replikasyon orijini konumlandırması ve makro alan yapılandırması dahil olmak üzere kromozomal organizasyon, büyük ölçekli yeniden düzenlemelere kısıtlamalar getirerek plastisiteyi belirli sıcak noktalarla sınırlar^[71].

Deneysel evrim çalışmaları, E. coli‘nin plastisite yoluyla evrimleşebilirliğinin altını çizmektedir. 1988’de tek bir atadan türetilen 12 kopya popülasyonla başlatılan uzun vadeli evrim deneyinde (LTEE), bir popülasyon, yeni bir düzenleyici mutasyonu güçlendiren ardışık gen duplikasyonları ve ardından daha fazla HGT ve seleksiyon yoluyla iyileştirme sayesinde yaklaşık 31.500 nesil sonra aerobik sitrat kullanımını (Cit+) geliştirdi^[72]^[73]. Atada bulunmayan ve kopyalar arasında nadir görülen bu yenilik, duplikasyonlar ve HGT yoluyla genomik kararsızlığın, önceki mutasyonlar gibi tarihsel olasılıklara bağlı olsa da, temel adaptif sıçramaları nasıl mümkün kıldığını vurgulamaktadır^[74]. 75.000’den fazla nesil boyunca popülasyonlar binlerce mutasyon biriktirmiştir ve HGT rekabetçi ortamlarda adaptif yörüngeleri güçlendirmiştir^[75]. Bu tür dinamikler, plastisitenin yalnızca çevresel stresleri tamponlamakla kalmayıp, aynı zamanda suşlar arasında türleşme benzeri ayrışmayı da teşvik ettiğini göstermektedir^[76].

Suş Çeşitliliği

Kommensal ve Patojenik Varyantlar

Escherichia coli suşları, konakçılarıyla mutualistik kommensalizmden açık patojeniteye kadar değişen bir etkileşim yelpazesi sergiler. Sağlıklı insan bağırsak mikrobiyotasındaki izolatların çoğunluğunu oluşturan kommensal varyantlar, tipik olarak kalın bağırsağı asemptomatik olarak kolonize eder; potansiyel istilacılarla rekabet ederek ve K vitamini gibi bileşikleri sentezleyerek mikrobiyal homeostaza katkıda bulunur^[77]. Bu suşlar, doku istilasına veya toksin aracılı hasara olanak tanıyan virülans belirleyicilerinin tam tamamlayıcısından yoksundur ve bunun yerine besin sınırlı kolon ortamında hayatta kalmak için türler arasında paylaşılan temel genomik özelliklere güvenir^[78]. Buna karşılık, patojenik varyantlar, adezinler (örneğin epitelyal yapışma için fimbria), toksinler (örneğin enterohemorajik E. coli’de Shiga toksinleri) ve tip III sekresyon sistemleri aracılığıyla iletilen efektörler gibi özelleşmiş faktörler edinir; bunlar konakçı bariyerlerini bozar, iltihaplanmayı indükler veya sitotoksisiteye neden olur ve ishal, idrar yolu enfeksiyonları veya sepsis gibi hastalıkları kolaylaştırır^[79]. Bu ikilem, sabit genetik soylardan değil, kommensallerin gizli olarak barındırabileceği ancak düzenleyici ipuçlarının yokluğu nedeniyle nadiren ifade ettiği patojenite adaları, plazmitler ve profajların yatay gen transferinden kaynaklanır^[80].

Filogenetik sınıflandırma bu varyantları daha da detaylandırır; çoklu lokus sekans tiplemesi ve PCR tabanlı testler E. coli‘yi A, B1, B2, D ve diğerleri (örneğin E, F) olarak gruplandırır. Kommensal suşlar, verimli karbon kullanımı ancak minimal istilacılık ile kararlı bağırsak nişlerine uyarlanmış A ve B1 gruplarında baskındır^[81]. Patojenik suşlar, özellikle ekstraintestinal patojenik (ExPEC) olanlar, idrar veya kan dolaşımı gibi bağırsak dışındaki hayatta kalmayı artıran daha yüksek rekombinasyon oranları, daha büyük genomlar ve gelişmiş stres direnci sergileyen B2 ve D gruplarında kümelenir^[82]. Örneğin, B2 grubundan üropatojenik E. coli (UPEC), kommensallerde bulunmayan veya aşağı regüle edilen demir edinme sistemlerini ve hemolizinleri ifade eder; bu da fekal floraya kıyasla klinik izolatlarda aşırı temsil edilmeleriyle ilişkilidir^[83]. Grup B2 suşları kommensal olarak kalabilse de, virülans potansiyelleri geçici çoğalmalarda yapışmayı ve bağışıklıktan kaçışı destekleyen seçim baskılarından kaynaklanır^[84].

Sağlıklı yetişkinlerde patojenik varyantlar bağırsak içinde düşük prevalansı korur; toplam E. coli popülasyonlarının ortalama %1’inden azını oluşturur ve bolluk kararlı yerleşimden ziyade kısa vadeli genişlemelerle dalgalanır^[85]. Asemptomatik bireylerden alınan dışkı izolatları üzerinde yapılan çalışmalar, %90’dan fazlasının önemli ishal yapıcı veya ExPEC belirteçlerinden yoksun olduğunu göstermektedir; bu da patojenitenin varsayılan bir özellik olmaktan ziyade fırsatçı bir şekilde (genellikle bağışıklığı baskılanmış konakçılarda veya suş yer değiştirmesi yoluyla) ortaya çıktığını vurgular^[86]. Buna karşılık kommensaller, patojen istilasına karşı tampon görevi gören çeşitliliği sağlayan devir oranlarıyla, niş adaptasyonu yoluyla kalıcı kolonizasyon elde eder^[87]. Bu denge evrimsel ödünleşimleri yansıtır: virülans bağırsakta uygunluk maliyetlerine (örneğin toksin aracılı kendine zarar verme) neden olur, ancak alternatif nişlerde avantajlar sağlar; bu da bozulmamış mikrobiyotada kararlı patojenik hakimiyetin nadir olmasını açıklar^[28].

Serotipler ve Filogenetik Gruplar

Escherichia coli suşları, lipopolisakkarit (LPS) dış çekirdeğinden gelen O-somatik antijeni ve kamçı proteinlerinden gelen H-flagellar antijeni dahil olmak üzere yüzey antijenlerine göre serotiplere ayrılır. Emek ve özgüllük konusundaki sınırlamalara rağmen serotipleme için altın standart olmaya devam eden spesifik antiserumlar kullanılarak yapılan serolojik aglütinasyon testleri ile 180’den fazla farklı O-serogrubu ve 50’den fazla H-antijeni tanımlanmıştır^[88]^[89]. Bu fenotipik sınıflandırma epidemiyolojik takibe yardımcı olur, çünkü belirli serotipler patojenik potansiyelle ilişkilidir; örneğin, enterohemorajik suşlar genellikle O157:H7’ye aittir, diğer ishal yapıcı patotipler arasında O104:H4 ve O26:H11 bulunur^[90]^[91].

Serotip çeşitliliği, LPS’de bağışıklıktan kaçınmayı ve konakçı adaptasyonunu sağlayan tekrarlayan polisakkarit birimlerini kodlayan O-antijen biyosentez gen kümelerindeki genetik varyasyonlardan kaynaklanır. O-antijen genlerinin hedeflenen dizilenmesi gibi moleküler yöntemler, özellikle salgınlarla ilişkili O157 olmayan suşlar için daha yüksek çözünürlüklü serogrupa özgü belirteçleri tanımlayarak geleneksel serotiplemeyi desteklemiştir^[92]^[93]. Ancak, yatay gen transferi antijen lokuslarını çekirdek genom evriminden bağımsız olarak karıştırabildiğinden, serotipler her zaman genetik filogeni ile uyumlu değildir^[94].

Filogenetik gruplandırma, E. coli çeşitliliği için genotipik bir çerçeve sağlar; başlangıçta suşları çoklu lokus enzim elektroforezi yoluyla A, B1, B2 ve D olmak üzere dört ana gruba ayırmış ve daha sonra Clermont yönteminde chuA, yjaA ve TspE4.C2 gibi genleri hedefleyen PCR testleri kullanılarak geliştirilmiştir^[26]^[95]. arpA ve ompT gibi ek belirteçleri içeren genişletilmiş şemalar, artık tam genom dizilenmesinden elde edilen daha derin popülasyon yapısını yansıtarak sekiz adede kadar filogrupu (A, B1, B2, C, D, E, F ve Clade I) tanımaktadır^[96]. Gruplar A ve B1, daha küçük genomlar ve kararlı ortamlarda metabolik verimlilik ile karakterize edilen kommensal bağırsak izolatları arasında baskınken, B2 ve D grupları, bağırsak dışındaki hayatta kalmayı artıran adezinler ve toksin genleri gibi daha fazla virülans faktörüne sahip ekstraintestinal patojenik suşlarda zengindir^[30]^[28].

Filogruplar ve serotipler arasındaki ilişkiler virülansta kalıpları ortaya çıkarır; örneğin, üropatojenik O-serogrupları genellikle B2’de kümelenir ve bu da daha yüksek antibiyotik direnci ve istilacılık ile ilişkilidir, oysa ishal yapıcı serotipler birden fazla gruba yayılabilir ancak Shiga toksin üreticileri için D’de yüksek prevalans gösterir^[97]. Bu gruplandırmalar ekolojik nişleri vurgular: B2 suşları, fırsatçı patogenezi yönlendiren daha büyük genom plastisitesi ve niş adaptasyonu sergilerken, A/B1’deki kommensal suşlar virülans plazmitleri edinebilir ve katı sınırları bulanıklaştırabilir^[84]^[98].

Normal Mikrobiyota Olarak Rolü

Bağırsaktaki Ekolojik İşlevler

Escherichia coli, insan bağırsak mikrobiyotasında önemli bir kommensal bakteri olarak hizmet eder; esas olarak kalın bağırsakta yaşar ve burada mikrobiyal topluluğun küçük ama ekolojik olarak önemli bir bölümünü oluşturur, tipik olarak sağlıklı yetişkinlerde toplam bakterilerin %0,1’inden azını teşkil eder^[99]. Fakültatif bir anaerob olarak, kolon lümeninin ve mukus tabakasının oksijen sınırlı ortamında gelişir; konak diyetinden ve müsin glikoproteinlerinden türetilen basit şekerler ve amino asitler dahil olmak üzere bir dizi karbon kaynağını kullanır^[100]. Bu metabolik çok yönlülük, E. coli‘nin sindirilmemiş karbonhidratları asetat gibi kısa zincirli yağ asitlerine (SCFA’lar) fermente etmesini sağlar; bu asitler daha sonra Bacteroides türleri gibi zorunlu anaeroblara çapraz beslenebilir ve böylece sintrofik etkileşimler yoluyla genel mikrobiyal topluluk stabilitesini destekler^[101]. Sağlıklı bağırsaklarda, kommensal suşlar vitamin sentezine katkıda bulunur; özellikle kan pıhtılaşmasını ve kemik sağlığını desteklemek için konak tarafından emilen K2 vitaminini (menakinon) men gen kümesi yoluyla üretir^[102].

E. coli‘nin birincil ekolojik işlevi, mukus tabakasında besin rekabeti ve niş işgali yoluyla enterik patojenlere karşı kolonizasyon direncini içerir. Kommensal E. coli, bağırsağa girdikten sonra mevcut demiri ve karbonhidratları hızla tüketerek Salmonella Typhimurium gibi işgalciler için kaynakları sınırlar; örneğin, gnotobiyotik farelerde yapılan deneyler, önceden kolonize olmuş E. coli‘nin, tonB bağımlı siderofor üretimi yoluyla demiri tecrit ederek, hatta iltihaplanma sırasında dışlanmayı artırmak için toksinleri bağlayarak Salmonella istilasını azalttığını göstermektedir^[103]. Bu rekabetçi dışlama, E. coli‘nin mukozal yüzeylerde biyofilmler oluşturma, patojen yapışmasını fiziksel olarak engelleme ve yerel pH ve redoks koşullarını zorunlu anaeroblar veya aerotolerant rakipler için elverişsiz hale getirecek şekilde modüle etme yeteneği ile daha da güçlendirilir^[87]. Ek olarak, kommensal suşlar müsin üretimini ve epitel hücre rejenerasyonunu uyararak konakçı epitel bütünlüğünü destekler; çalışmalar, spesifik E. coli dış membran proteinlerinin konakçı doğuştan gelen bağışıklık yollarını aktive ettiğini, patolojiye neden olmadan besin alımını ve bariyer fonksiyonunu artırdığını göstermektedir^[104]^[105].

Daha geniş bağırsak ekosisteminde, E. coli hem bir havuz hem de metabolit kaynağı olarak hizmet ederek mikrobiyal çeşitliliği etkiler; triptofan metabolizmasından indol gibi bileşikleri salgılayarak komşu bakterilere ve konakçı hücrelere sinyal gönderir, potansiyel olarak iltihaplanmayı ve hareketliliği düzenler^[106]. Varlığı, yenidoğanlarda disbiyozis duyarlılığının azalmasıyla ilişkilidir; doğumdan sonraki saatler içinde kolonize olur ve mikrobiyotayı fırsatçı aşırı büyümeye karşı stabilize eder^[107]. Ancak, ekolojik başarı konakçı genetiği ve diyetine göre değişir; düşük çeşitlilikli mikrobiyomlarda, E. coli genişlemesi nişleri doldurabilir ancak yatay gen transferinden patojenik suşlar ortaya çıkarsa iltihaplanmayı teşvik etme riski taşır^[108]. Bu işlevler, E. coli‘nin dinamik bir fırsatçı olarak rolünü, dalgalanan bağırsak koşullarına uyum sağlarken metabolik destek ve savunma yoluyla konakçıya fayda sağladığını vurgular^[109].

Probiyotik ve Terapötik Kullanımlar

Escherichia coli‘nin patojenik olmayan belirli suşları, özellikle serotip O6:K5:H1 izolatı Nissle 1917 (EcN), gastrointestinal uygulamalar için probiyotik olarak kullanılmıştır^[110]. EcN, 1917 yılında I. Dünya Savaşı sırasında enterik enfeksiyonlara dirençli bir askerin dışkısından izole edilmiş ve 1919’dan beri Mutaflor ürünü olarak ticari olarak mevcuttur^[110]. Patojenik varyantların aksine, EcN enterotoksinler, sitotoksinler ve invazinler gibi temel virülans faktörlerinden yoksundur, bu da onu sağlıklı konakçılarda seruma duyarlı ve invazif olmayan hale getirir^[111].

Randomize kontrollü çalışmalar (RCT’ler), ülseratif kolitte (UC) remisyonun sürdürülmesinde EcN’nin etkinliğini göstermiştir; 327 hastayı içeren 2004 tarihli bir çalışmada 12 ay boyunca relaps oranları mesalazin için %33,9 iken EcN için %36,4 olmuştur^[111]. 1997 ile 2004 yılları arasındaki üç büyük çalışma, UC remisyon bakımı için 5-aminosalisilik asit (5-ASA) tedavisine eşdeğerliği doğruladı^[112]. Kronik kabızlık için EcN, 12 haftalık bir RCT’de laktuloz ile 5,5’e kıyasla haftalık bağırsak hareketlerini 6,3’e ve 8 haftalık bir çalışmada plasebo ile 2,6’ya kıyasla 4,9’a çıkardı (p < 0.001)^[111]. Pediatrik akut ishalde (2-46 aylık), EcN epizot süresini 2,3 gün azalttı (plasebo için 4,8 güne karşılık 2,5 gün, p = 0,007) ve çözünürlük %67,2 plaseboya karşılık %94,5 oldu; uzun süren ishalde 3,3 günlük bir azalma görüldü (p = 0.0017)^[111]. İrritabl bağırsak sendromu için kanıtlar sınırlıdır; bir çift kör çalışma alt grup faydaları gösterse de plaseboya göre geniş bir üstünlük göstermemiştir^[113].

EcN etkilerini, Salmonella ve üropatojenik E. coli gibi patojenleri inhibe eden antimikrobiyal mikrosin üretimi (örneğin MccH47, MccM), sıkı bağlantı takviyesi ve \(\beta\)-defensin indüksiyonu yoluyla epitelyal bariyer bütünlüğünün artırılması ve IgA teşviki ve anti-enflamatuar lipopolisakkarit varyantları dahil olmak üzere bağışıklık modülasyonu yoluyla gösterir^[110]^[111]. Ayrıca sideroforlar aracılığıyla demir için rekabet eder ve hareketliliği desteklemek için asetik asit gibi kısa zincirli yağ asitleri üretir^[111]. Terapötik olarak, EcN, hayvan modellerinde Pseudomonas aeruginosa kolonizasyonunu azaltmak gibi bağırsak enfeksiyonlarına karşı profilaktik potansiyel göstermiştir^[114].

Güvenlik profilleri, uzun vadeli çalışmalarda kullanıcıların %90’ından fazlasının hiçbir sorun bildirmediğini ve Alman yetkililer tarafından risk grubu I olarak sınıflandırıldığını, ancak doza bağlı küçük gaz şikayetlerinin oluştuğunu göstermektedir^[110]^[111]. Riskler arasında, bağışıklığı baskılanmış bireylerde nadir görülen bakteriyemi (potansiyel olarak bozulmuş mikrobiyota ile şiddetlenen) ve belirli koşullar altında genotoksik metabolitler üretebilen üropatojenlerdekilere benzeyen genomik elementler yer alır^[115]^[116]. \(10^8\)–\(10^{11} \text{ CFU/gün}\)’e kadar olan dozlarda pediatrik veya yüksek riskli kohortlarda ciddi bir yan etki kaydedilmemiştir^[111]. Hedeflenen RCT’lerde etkili olsa da, suş özgüllüğü ve değişken kolonizasyon kalıcılığı nedeniyle daha geniş probiyotik iddiaları dikkat gerektirir^[110].

Patojenez ve Hastalık Oluşumu

Virülans Faktörleri ve Mekanizmaları

Escherichia coli‘nin patojenik suşları, kolonizasyonu, konak savunmasından kaçışı, doku hasarını ve yayılmayı sağlayan ve onları insan bağırsak mikrobiyotasında tipik olarak bulunan kommensal varyantlardan ayıran bir dizi virülans faktörüne sahiptir. Bu faktörler genellikle plazmitler, bakteriyofajlar, transpozonlar ve patojenite adaları aracılığıyla yatay gen transferi yoluyla edinilir ve yeni konakçılara ve nişlere hızlı adaptasyon sağlar^[79]^[6]. Bu elementlerden yoksun olan veya bunları düşük seviyelerde ifade eden kommensal E. coli‘nin aksine, patojenik suşlar bunları bağırsak mukozası veya idrar yolu epiteli gibi belirli anatomik bölgeleri istismar etmek için kullanır^[117].

Fimbria ve pili dahil olmak üzere adezinler, bağırsakta peristaltizm ve mukosiliyer temizliğe veya mesaneye karşı direnen kolonizasyon için kritik bir adım olan konak hücrelere ilk bağlanmaya aracılık eder. fim operonu tarafından kodlanan Tip 1 fimbrialar, üropatojenik E. coli‘de (UPEC) üroepitelyal hücrelerdeki mannoz kalıntılarını bağlayarak idrar yolu enfeksiyonlarını kolaylaştırırken, P fimbrialar böbrek hücrelerindeki globoseries glikolipidleri hedef alarak piyelonefriti teşvik eder^[118]. Enteropatojenik E. coli (EPEC) ve enterohemorajik E. coli (EHEC)’de, demet oluşturan pili ve intimin (enterosit silme lokusu, LEE, patojenite adasındaki eae geni tarafından kodlanır), mikrovillusları silen ve sıkı bağlantıları bozan yapışma-silme (A/E) lezyonlarını indükleyerek yakın yapışmayı sağlar^[119]. Enterotoksijenik E. coli (ETEC), ince bağırsak enterositlerine yapışmak için CFA/I fimbriaları gibi kolonizasyon faktörü antijenlerini (CFA’lar) kullanır^[6].

Toksinler, ishal sendromlarına veya sistemik etkilere doğrudan katkıda bulunan sitotoksisite ve sıvı sekresyonu için birincil mekanizmayı temsil eder. ETEC’den gelen ısıya duyarlı toksin (LT) ve ısıya dayanıklı toksinler (STa/STb), enterositlerde adenilat siklazı veya guanilat siklazı aktive ederek, invazyon olmaksızın masif klorür çıkışına ve salgısal ishale neden olur^[6]. O157:H7 gibi EHEC’de faj kodlu olan Shiga toksinleri (Stx1 ve Stx2), endotel hücrelerinde 28S rRNA’yı hedefleyerek protein sentezini inhibe eder; bu da kanlı ishal, hemolitik üremik sendrom (HUS) ve trombotik mikroanjiyopatiye yol açar; Stx2, daha yüksek potansiyeli ve vasküler tropizmi nedeniyle daha yüksek HUS riski ile ilişkilidir^[1]. Diğer toksinler arasında, doku istilasına ve besin salınımına yardımcı olmak için sırasıyla aktin hücre iskeletini bozan ve eritrositleri parçalayan ekstraintestinal patojenik E. coli‘deki (ExPEC) sitotoksik nekrotizan faktör (CNF) ve hemolizin bulunur^[118].

EPEC ve EHEC gibi A/E patojenlerinde LEE adasının bir parçası olan Tip III sekresyon sistemleri (T3SS), efektör proteinleri (örneğin Tir, EspF) konak hücrelere enjekte ederek, tam invazyon olmaksızın kaide oluşumunu, hücre iskeleti yeniden düzenlenmesini ve bariyer disfonksiyonunu teşvik etmek için sinyal yollarını modüle eder^[119]. Enteroinvazif E. coli‘de (EIEC), invazyon, Shigella‘ya benzer plazmit kodlu faktörler tarafından yönlendirilir; bunlar arasında epitelyal hücrelere alım için aktin polimerizasyonunu tetikleyen Ipa proteinleri bulunur ve bunu hücre içi replikasyon ve aktin tabanlı hareketlilik yoluyla yayılma izler^[79].

Polisakkarit kapsüller (örneğin yenidoğan menenjiti ile ilişkili ExPEC’deki K1 antijeni) gibi yüzey yapıları, konakçı sialik asidini taklit ederek veya opsonizasyonu engelleyerek fagositoza ve kompleman aracılı lizise direnç sağlar^[118]. Aerobaktin ve yersiniabaktin gibi sideroforları içeren demir edinme sistemleri, transferrin veya laktoferrinden ferrik demiri temizleyerek demir sınırlı konak ortamlarında büyümeyi sağlar; bu, kan dolaşımı enfeksiyonlarında önemli bir uygunluk faktörüdür^[120]. Bu mekanizmalar toplu olarak hayatta kalmayı, replikasyonu ve bulaşmayı artırır; suşa özgü kombinasyonlar hastalık tropizmini belirler (örneğin, ishal yapıcı suşlar toksinlere ve adezinlere öncelik verirken, ExPEC istila ve bağışıklıktan kaçışı vurgular)^[117].

Enfeksiyon Türleri ve Klinik Sonuçlar

Escherichia coli enfeksiyonları öncelikle ishal yapıcı patotiplerin neden olduğu gastrointestinal hastalıklar olarak ortaya çıkar, ancak ekstraintestinal patojenik suşlar idrar yolu enfeksiyonlarına, bakteriyemiye, sepsise ve diğer sistemik durumlara yol açabilir^[79]. İshal enfeksiyonları tipik olarak kontamine yiyecek veya suyun yutulmasından kaynaklanır ve sulu veya kanlı ishal, karın krampları, kusma ve hafif ateş ile kendini gösterir; sağlıklı bireylerde genellikle antibiyotik olmadan 5-7 gün içinde düzelir^[121]. Üropatojenik E. coli (UPEC) içerenler gibi ekstraintestinal enfeksiyonlar, kadınlarda komplike olmayan vakaların %75-85’ini etkileyen toplum kökenli idrar yolu enfeksiyonlarının çoğunluğunu oluşturur; semptomlar arasında dizüri, sık idrara çıkma ve aciliyet hissi bulunur^[122].

İshal yapıcı E. coli patotipleri şunları içerir: Koleraya benzer sulu ishale neden olan ısıya duyarlı ve ısıya dayanıklı toksinler üreten, turist ishalinde yaygın olan ve gelişmekte olan bölgelerde her yıl milyonları etkileyen enterotoksijenik (ETEC); bebeklerde inatçı ishal ile bağlantılı enteropatojenik (EPEC); kanlı ishal ve hemolitik üremik sendroma (HUS) ilerleyebilen Shiga toksinleri üreten enterohemorajik (EHEC, özellikle O157:H7); dizanteri ile şigellozu taklit eden enteroinvazif (EIEC); ve çocuklarda ve HIV hastalarında kronik ishal ile ilişkili enteroagregatif (EAEC)^[5]^[6]. Çoğu ishal vakası için klinik sonuçlar kendi kendini sınırlar, ancak EHEC enfeksiyonları vakaların %5-10’unda, mikroanjiyopatik hemolitik anemi, trombositopeni ve akut böbrek hasarı ile karakterize HUS riski taşır; STEC O157 enfeksiyonları için genel ölüm oranı %0,6 ve HUS geliştirenler arasında %4,6’dır; yetişkinler STEC ile ilişkili HUS’tan %20’ye varan hastane içi ölüm oranıyla karşı karşıyadır^[123]^[124].

UPEC’in neden olduğu idrar yolu enfeksiyonları genellikle mesanede (sistit) lokalize kalır ancak piyelonefrite yükselerek ateşe, yan ağrısına ve tedavi edilmezse potansiyel sepsise yol açabilir^[125]. Sıklıkla İYE’lerden kaynaklanan E. coli bakteriyemisi insidans oranları, bazı kohortlarda 100.000 nüfusta 71,8’e ulaşmaktadır ve %12’lik bir vaka-ölüm oranı vardır; komorbiditeler ve antimikrobiyal direnç nedeniyle yaşlı veya bağışıklığı baskılanmış hastalarda bu oran daha yüksektir^[126]^[127]. İnvazif ekstraintestinal E. coli hastalığı (IED), yaşlı yetişkinlerde sepsise katkıda bulunur; sonuçlar, çoklu ilaca dirençli suşlarla daha da kötüleşir, burada tedavi başarısızlığı olasılığı duyarlı izolatlara kıyasla dört kat artar^[128]. O18:K1 gibi spesifik suşlardan kaynaklanan yenidoğan menenjiti, gastrointestinal veya üriner sunumlardan daha az yaygın olmasına rağmen yüksek morbidite taşır^[129]. Genel olarak, çoğu enfeksiyon destekleyici bakım veya antibiyotiklerle düzelirken, savunmasız popülasyonlar böbrek yetmezliği veya ölüm gibi komplikasyon riskleriyle karşı karşıyadır; bu da patojenin virülans değişkenliğinin altını çizer^[130].

Teşhis, Tedavi ve Önleme

Patojenik Escherichia coli enfeksiyonlarının teşhisi, tipik olarak ishal hastalığı vakalarında dışkı örnekleri gibi klinik numunelerden bakterilerin laboratuvarda tanımlanmasını içerir. Sorbitol fermentasyonu yapmayan O157:H7 gibi Shiga toksini üreten E. coli (STEC) suşları için, sorbitol-MacConkey agar üzerinde kültür tahmini tanımlamaya izin verir, ardından stx1 ve stx2 genlerini tespit eden PCR testleri veya Shiga toksinleri için enzim immünoassayleri ile doğrulama yapılır^[131]^[132]. Kültür, EIA gibi kültür dışı testlerin yararlılığına rağmen, izolatların salgın araştırmaları ve serotipleme için daha fazla karakterizasyona olanak tanıması nedeniyle gerekli olmaya devam etmektedir^[133]. Ekstraintestinal patojenik E. coli‘nin (ExPEC) neden olduğu idrar yolu enfeksiyonlarında teşhis, hedefe yönelik tedaviyi yönlendirmek için idrar kültürü ve duyarlılık testine dayanır^[6].

Çoğu E. coli ishal enfeksiyonu için tedavi destekleyicidir; ishal ve kusmadan kaynaklanan sıvı kaybını yönetmek için rehidrasyona odaklanılır, hafif vakalar için oral rehidrasyon solüsyonları ve ciddi dehidrasyon için intravenöz sıvılar tercih edilir^[130]. Antibiyotikler genellikle STEC enfeksiyonları için önerilmez, çünkü kullanımları -özellikle ilk birkaç gün içinde- bakteriyolizden kaynaklanan artan Shiga toksin salınımı nedeniyle potansiyel olarak önemli ölçüde artmış hemolitik üremik sendrom (HUS) riski ile ilişkilendirilmiştir^[134]^[135]^[136]. E. coli O157:H7 enfeksiyonu olan çocuklar üzerinde yapılan 2000 tarihli bir çalışma, antibiyotik maruziyetinin HUS olasılığını 17 kattan fazla artırdığını bulmuştur^[135]. STEC olmayan ishal yapıcı suşlar veya bakteriyemi veya İYE’ye neden olan ExPEC için, duyarlılık testine dayalı olarak trimetoprim-sülfametoksazol, florokinolonlar veya üçüncü nesil sefalosporinler gibi antibiyotikler kullanılabilir, ancak direnç seçimleri zorlaştırır^[6]. Loperamid gibi anti-ishal ajanları, toksin tutulumunu ve sonuçların kötüleşmesini önlemek için kanlı ishal veya ateş vakalarında kaçınılmalıdır^[134]. Komplike olmayan enfeksiyonların çoğu, spesifik antimikrobiyal müdahale olmadan 5-7 gün içinde düzelir^[137].

Patojenik E. coli bulaşmasının önlenmesi, enfeksiyonların genellikle kontamine yiyecek, su veya hayvan teması yoluyla fekal-oral yollardan kaynaklanması nedeniyle hijyen ve gıda güvenliği uygulamalarını vurgular. Temel önlemler arasında tuvaleti kullandıktan, hayvanlara dokunduktan sonra veya yemek hazırlamadan önce sabunla kapsamlı el yıkama; STEC’i öldürmek için kıymayı en az 71°C iç sıcaklıkta pişirmek; sadece pastörize süt ve meyve suları tüketmek; ve ürünleri akan su altında yıkamak yer alır^[138]. Çiğ etleri yemeye hazır gıdalardan ayırarak çapraz bulaşmayı önlemek ve gıda işlemede yüzeyleri dezenfektanlarla temizlemek riskleri azaltır^[138]. Çiftlikler veya hayvanat bahçeleri gibi yüksek riskli ortamlarda, el dezenfektanları ağır fekal kontaminasyona karşı etkisizdir, bu da sabun ve su ihtiyacını vurgular^[138]. Halk sağlığı sürveyansı ve CDC gibi kurumlar tarafından yapılan hızlı salgın soruşturmaları, soğan veya ceviz gibi kontamine ürünlerin geri çağrılmasını sağlayarak daha fazla vakayı önlemiştir^[139]. İnsanlar için rutin olarak mevcut bir aşı yoktur, ancak sığır rezervuarları için STEC aşılarına yönelik araştırmalar devam etmektedir^[140].

Antibiyotik Direnci Eğilimleri

Escherichia coli, küresel olarak, özellikle idrar yolu enfeksiyonları (İYE) ve diğer yaygın enfeksiyonlar için kullanılan birinci basamak antibiyotiklere karşı artan antimikrobiyal direnç (AMR) sergilemiştir; bu durum insan tıbbı, tarım ve çevre kirliliğindeki yaygın antibiyotik kullanımından kaynaklanan seçici baskı ile yönlendirilmektedir. Dünya Sağlık Örgütü’nün Küresel Antimikrobiyal Direnç ve Kullanım Sürveyans Sistemi’nden (GLASS) alınan sürveyans verileri, 2018 ile 2023 yılları arasında izlenen patojen-antibiyotik kombinasyonlarının %40’ından fazlasında direncin arttığını ve E. coli içeren birçok eşleşme için yıllık ortalama %5-15 artış olduğunu göstermektedir^[141]. 2023 yılına kadar, dünya çapındaki E. coli izolatlarının %40’ından fazlası, önemli bir ampirik tedavi sınıfı olan üçüncü nesil sefalosporinlere dirençliydi ve oranlar DSÖ Afrika Bölgesi’nde %70’i aştı^[141].

Üç veya daha fazla antibiyotik sınıfında en az bir ajana dirençli olarak tanımlanan çoklu ilaca dirençli (MDR) suşlar, özellikle penisilinler ve sefalosporinler dahil olmak üzere beta-laktam antibiyotikleri hidrolize eden genişlemiş spektrumlu beta-laktamaz (ESBL) üreten E. coli yaygınlaşmıştır. Sağlık hizmeti ortamlarında küresel ESBL üreten E. coli bağırsak taşıyıcılığı, Asya, Afrika ve Latin Amerika’da daha yüksek oranlarla 2000’den 2021’e kadar kümülatif olarak %21,1’e ulaştı ve CDC raporlarına göre 2012’den 2017’ye kadar ABD hastane ve toplum kaynaklı ESBL-Enterobacteriaceae enfeksiyonlarında %50’lik bir artış görüldü^[142]^[143]. Son çalışmalar, 2025 analizinde E. coli klinik örneklerinin %31’inde ESBL pozitifliği ile devam eden yükselişi doğrulamakta ve ağırlıklı olarak İYE’si olan kadınları etkilemektedir^[144]. Ampisiline direnç sürekli olarak yüksek kalmış, 2020 yılına kadar izolatlarda %55’i aşmış ve 2025 yılına kadar bazı bölgesel kohortlarda %90,3’e ulaşmıştır^[145]^[146].

İYE tedavisi için kritik olan florokinolon direnci, özellikle üropatojenik sekans tipi 131 (ST131) klonlarında yukarı doğru bir eğilim göstermiştir; hasta faktörleri ve klonal genişleme ile bağlantılı olarak 2019’dan 2022’ye kadar önemli artışlar gözlemlenmiştir^[147]. ABD verilerinde, florokinolona dirençli E. coli oranları, olay türleri genelinde 2011’den 2023’e kadar aşamalı olarak artmıştır^[148]. Son değerlendirmelerde trimetoprim direnci %28,6 iken amoksisilin direnci %51,3’e ulaşmıştır^[149]. Karbapenem direnci, E. coli‘de diğer Enterobacteriaceae’ye göre daha az yaygın olsa da küresel olarak ortaya çıkmakta, son çare seçeneklerini karmaşıklaştırmakta ve kan dolaşımı enfeksiyonlarında daha yüksek ölüm oranıyla ilişkilendirilmektedir^[141].

Bu eğilimler ampirik tedavinin sınırlılıklarını vurgulamaktadır; 2025 izolatlarında %78,7’lik ko-amoksiklav direnci, duyarlılık testlerinin doğruladığı durumlarda karbapenemlere veya kombinasyon tedavilerine geçişi teşvik etmektedir^[146]. Shiga toksini üreten suşlar da dahil olmak üzere enterik E. coli için Ulusal Antimikrobiyal Direnç İzleme Sistemi (NARMS) verileri, 1999’dan bu yana devam eden değişiklikleri izlemekte ve eski ajanlara karşı istikrarlı yüksek direnci ortaya koymakta, ancak tarım bağlantılı suşlarda kolistin direnci gibi daha yeni tehditler için teyakkuz gerektiğini göstermektedir^[150]. Bölgesel eşitsizlikler devam etmekte, düzenlenmemiş antibiyotik erişimi nedeniyle düşük kaynaklı ortamlarda daha yüksek yükler görülmekte, ancak ABD hastane AMR yükleri, yönetim çabalarının ortasında 2012’den 2022’ye kadar düzensiz bir şekilde azalmıştır^[151].

Bilim ve Endüstrideki Uygulamalar

Araştırmada Model Organizma

Escherichia coli, laboratuvar ortamlarında hızlı büyümesi, genetik izlenebilirliği ve manipülasyon kolaylığı nedeniyle 20. yüzyılın ortalarından beri biyolojik araştırmalarda genetik, moleküler biyoloji ve biyokimyada çığır açan gelişmelere olanak tanıyan temel bir prokaryotik model organizma olarak hizmet etmiştir^[9]. Bakterinin basit beslenme gereksinimleri ve optimal koşullar altında yaklaşık 20 dakikalık kısa nesil süresi, yüksek verimli deneyleri kolaylaştırırken, iyi karakterize edilmiş genomu ve metabolik yolları hücresel süreçlerin hassas bir şekilde incelenmesine izin verir^[34]. 1922’de bir insan hastadan izole edilen K-12 gibi suşlar, genetik rekombinasyon yeteneklerini gösterdikten sonra merkezi hale geldi ve E. coli‘yi prokaryotlarda kalıtım mekanizmalarını incelemek için öne çıkardı^[152].

Joshua Lederberg ve Edward Tatum tarafından 1946’da yapılan öncü deneyler, E. coli‘nin konjugasyon yoluyla genetik materyal alışverişinde bulunabileceğini ortaya koydu; bu, bakterilerde rekombinasyonun ilk kanıtıydı ve bakteriyel üremenin kesinlikle klonal olduğu yönündeki önceki görüşlere meydan okudu^[153]. Temel besinleri sentezleyemeyen oksotrofik mutantların kullanıldığı bu keşif, yabanıl tip prototrofların mutasyon yerine gen transferi yoluyla ortaya çıktığını gösterdi ve bakteriyel genetiğin temelini attı^[154]. Esther Lederberg’in sonraki çalışmaları, E. coli‘yi enfekte eden ılıman bir bakteriyofaj olan lambda fajını ve konjugasyona aracılık eden F (doğurganlık) plazmidini tanımladı ve lizojeni ve plazmid biyolojisini daha da aydınlattı^[155]. Bu bulgular, E. coli‘yi ekolojik bağlamından soyutlayarak, DNA replikasyonu, transkripsiyon ve translasyon gibi evrensel ilkeleri incelemek için bir vekil olarak konumlandırdı.

E. coli K-12 türevi MG1655’in 4,6 milyon baz çiftinden oluşan tam genom dizisi 1997’de yayınlandı; bu, ilk tam bakteriyel genom haritasını sağladı ve fonksiyonel genomik araştırmalarını hızlandırdı^[156]. Bu dönüm noktası, 4.000’den fazla genin tanımlanmasıyla (birçoğu bakteriler arasında korunmuştur) sistematik gen nakavt çalışmalarına, operon analizine ve protein etkileşim haritalamasına olanak tanıdı^[157]. Moleküler biyolojide E. coli, yapısal biyoloji ve ilaç geliştirme için heterolog proteinler üreten pET vektörleri gibi plazmid tabanlı klonlama ve ekspresyon sistemleri dahil olmak üzere rekombinant DNA teknolojilerine ev sahipliği yapar^[34]. François Jacob ve Jacques Monod tarafından 1960’larda ilk kez detaylandırılan, ökaryotik benzerlerini anlamak için temel olan indüklenebilir ve baskılanabilir sistemleri gösteren lac operonu aracılığıyla gen düzenlemesini modeller^[9].

Genetiğin ötesinde E. coli, biyoyakıt üretimini optimize eden veya artemisinin öncüleri gibi karmaşık molekülleri sentezleyen mühendislik ürünü suşlarla metabolik mühendisliği ve sistem biyolojisini bilgilendirir^[158]. K-12 gibi patojenik olmayan laboratuvar suşları, antikor mühendisliği için faj gösteriminden CRISPR-Cas doğrulamasına kadar çeşitli uygulamaları desteklerken biyogüvenlik risklerini en aza indirir^[159]. Ökaryotik translasyon sonrası modifikasyonların eksikliği gibi sınırlamalara rağmen, E. coli‘nin ampirik faydası -yılda binlerce yayınla kanıtlandığı üzere- rolünü sağlamlaştırmaktadır; ilişkisel gözlemler yerine doğrudan pertürbasyon deneylerinden elde edilen nedensel içgörülerle desteklenmektedir^[160].

Biyoteknoloji ve Protein Üretimi

Escherichia coli, hızlı büyüme hızı, iyi karakterize edilmiş genetiği ve genetik manipülasyon kolaylığı nedeniyle biyoteknolojide rekombinant protein üretimi için baskın bakteri konağı olarak hizmet eder^[161]. Ekspresyon sistemleri tipik olarak, optimize edilmiş suşlarda yüksek verimli üretim sağlayan T7 RNA polimeraz sistemi gibi güçlü promotörlere sahip plazmid vektörlerini içerir^[162]. E. coli‘den elde edilen ilk rekombinant enzimler 1980’de ticarileştirildi ve erken endüstriyel uygulamalara işaret etti^[163].

Öncü terapötik proteinler arasında, 1978’de Genentech tarafından E. coli kullanılarak sentezlenen ve 1982’de FDA tarafından ilk rekombinant biyofarmasötik olarak onaylanan insan insülini yer alır^[164]. Hipofiz kaynaklı tedarik eksikliklerini gideren, üretimi E. coli konakçıları aracılığıyla kilogram miktarlarına ölçeklenen insan büyüme hormonu (somatotropin) bunu izledi^[165]. Diğer örnekler arasında faktör VIII gibi pıhtılaşma faktörleri ve DNA polimeraz gibi enzimler yer alır; bu da E. coli‘nin glikosile edilmemiş proteinler için çok yönlülüğünü vurgular^[166]. Verimler, LB besiyeri gibi optimize edilmiş koşullar altında Top10 gibi suşlarda 100 mg/L veya daha yükseğe ulaşabilir^[167].

Önemli suşlar arasında, bozulmayı en aza indirmek için Lon ve OmpT proteazlarından yoksun olan ve indüklenebilir T7 polimeraz ekspresyonu için DE3 lizojenini içeren, F. William Studier ve Barbara A. Moffatt tarafından tasarlanan BL21(DE3) yer alır^[168]. Rosetta suşları gibi türevler, kodon sapmasını (bias) karşılamak için nadir tRNA’lar sağlar ve heterolog proteinler için çözünürlüğü artırır^[169]. Avantajlara rağmen, zorluklar devam etmektedir: aşırı ekspresyon sıklıkla yanlış katlanmış proteinlerin çözünmeyen agregatları olan inklüzyon cisimciklerini verir, bu da verimliliği azaltan yeniden katlama protokollerini gerektirir^[170].

E. coli endojen glikosilasyon mekanizmasından yoksundur; bu da aktivite veya stabilite için ökaryotik translasyon sonrası modifikasyonlar gerektiren, çoklu N-glikosilasyon bölgelerine sahip proteinlerin üretimini sınırlar^[171]. Ek engeller arasında proteoliz, aşırı eksprese edilen proteinlerden kaynaklanan toksisite ve indirgeyici sitoplazmada yanlış disülfit bağı oluşumu yer alır; bu durum periplazmik sekresyon veya şaperonların birlikte ekspresyonu gibi stratejileri teşvik eder^[172]. Bu sınırlamalar devam eden yenilikleri yönlendirse de, maliyet etkinliği nedeniyle E. coli araştırmalardaki rekombinant proteinlerin çoğunluğunu ve endüstride önemli bir kısmını oluşturmaktadır^[173].

Sentetik Biyoloji ve Yeni Ortaya Çıkan Kullanımlar

Escherichia coli, iyi karakterize edilmiş genomu, hızlı büyümesi ve genetik manipülasyon kolaylığı nedeniyle sentetik biyolojide birincil bir şasi organizması olarak hizmet eder^[9]. Araştırmacılar, sentetik genetik devreler oluşturmak, metabolik yolları yeniden tasarlamak ve genomu yeni işlevler için yeniden kodlamak üzere bu özelliklerden yararlanmıştır^[174]. Örneğin, 2023 yılında bilim insanları, bakteriyofaj enfeksiyonuna direnç sağlayan yeniden düzenlenmiş bir genoma sahip sentetik bir E. coli suşu geliştirdiler ve viral kontaminasyonu önleyerek endüstriyel uygulamalarda biyogüvenliği artırdılar^[175].

Son gelişmeler, genişletilmiş uygulamalara olanak tanıyan genetik kodu sıkıştırmak için genom yeniden kodlamasını içerir. Temmuz 2025’te, altı anlam kodonunun oluşumlarını değiştirerek yalnızca 57 kodonla tasarlanan Syn57 adlı bir suş, canlılığını ve standart olmayan amino asitleri dahil etme veya sentetik yapılarda hedef dışı etkileri azaltma potansiyelini gösterdi^[176]^[177]. Bu tür yeniden kodlama, farmasötikler veya malzemeler için doğal olmayan kimyalara sahip proteinlerin üretimini kolaylaştırabilecek ortogonal translasyon sistemlerinin oluşturulmasını destekler^[178].

E. coli‘nin metabolik mühendisliği, yenilenebilir hammaddelerden C2–C6 alkolleri dahil olmak üzere biyoyakıt üretimi için optimize edilmiş suşlar vermiştir. CRISPR-Cas araçlarını ve adaptif laboratuvar evrimini entegre eden sistem düzeyindeki yaklaşımlar, 2023 yılına kadar optimize edilmiş suşlarda 10 g/L’yi aşan titrelerle izobütanol ve diğer gelişmiş yakıtların verimini artırmıştır^[179]^[180]. Yeni ortaya çıkan kullanımlar, veriye dayalı sentetik tasarımların, yerel metabolizmadaki sınırlamaları yolak yeniden düzenlemesi yoluyla ele alarak, lignoselülozik biyokütle dönüşümü için E. coli‘yi uyarladığı sürdürülebilir kimyasallara kadar uzanmaktadır^[181]^[182].

Terapötiklerde, mühendislik ürünü E. coli suşları programlanabilir probiyotikler veya biyosensörler olarak işlev görür. Örneğin, E. coli Nissle 1917’deki modifikasyonlar, 2025’te memeli modellerinde gösterildiği gibi, yerinde terapötik üretmek için konak sinyalleriyle aktive edilen devrelerle, anti-enflamatuar moleküllerin iltihaplanmaya duyarlı bir şekilde iletilmesini sağlar^[183]^[184]. Sentetik farklılaşma devreleri, popülasyonlardaki hilekar mutantları baskılayarak bağırsak mühendisliği veya çevresel algılama için mikrobiyal konsorsiyumlarda kararlı işlevi garanti eder^[185]. Bu gelişmeler umut verici olmakla birlikte, akademik modellere aşırı güven, klinik çevirideki ölçeklenebilirlik zorluklarını gözden kaçırabileceğinden, uzun vadeli kararlılık ve konak etkileşimlerinin doğrulanmasını gerektirir^[186].

Tarihçe ve Dönüm Noktaları

Keşif ve Erken Çalışmalar

Bavyeralı çocuk doktoru Theodor Escherich, Escherichia coli‘yi ilk olarak 1885 yılında, özellikle neonatal sindirim ve ishal durumlarıyla ilgili olarak bebeklerin bağırsak mikrobiyotasını araştırırken izole etti^[187]. Hem sağlıklı hem de hasta yenidoğanların dışkı örneklerinden bakteriyi anaerobik olarak kültürledi ve doğumdan kısa bir süre sonra gelişen bağırsak florasında baskın organizma olarak yaygınlığını kaydetti^[188]. Hans Christian Gram’ın yeni geliştirdiği boyama tekniğini kullanan Escherich, bunu kısa, hareketli, Gram-negatif bir çubuk olarak tanımladı ve kolondaki yaygınlığını yansıtmak için başlangıçta Bacterium coli commune (daha sonra Bacillus coli commune) olarak adlandırdı^[189].

Escherich’in 15 aylık bir çalışma boyunca derlediği ayrıntılı gözlemleri, 1886’da Die Darmbakterien des Säuglings und ihre Beziehungen zur Physiologie der Verdauung (Bebeğin Bağırsak Bakterileri ve Sindirim Fizyolojisiyle İlişkileri) monografisinde yayınlandı^[190]. Bu çalışmada, bakterinin laktoz fermantasyonuna yardımcı olma ve doğumdan sonraki günler içinde bağırsak kolonizasyonunu kurma gibi normal bebek fizyolojisindeki rolünü vurgularken, aşırı büyümesini veya disbiyotik değişimlerini yaz ishali ve dizanteri gibi patolojik durumlarla ilişkilendirdi^[191]. Bu bulgular, insan bağırsak mikrobiyomu üzerine sistematik araştırmaların başlangıcını işaret etti ve B. coli commune‘yi yalnızca bir patojen yerine önemli bir kommensal tür olarak konumlandırdı^[192].

Organizma, 1919’da Aldo Castellani ve Albert Chalmers’ın onu keşfedenin onuruna Escherichia coli olarak yeniden adlandırıp Escherichia cinsi içinde resmen sınıflandırmasına kadar ilk isimlendirmesini korudu^[193]. 19. yüzyılın sonlarında ve 20. yüzyılın başlarında yapılan sonraki erken çalışmalar, Escherich’in temelini inşa ederek aerotolerant anaerobiyozunu, glikoz ve laktoz gibi şekerlerin fermantatif metabolizmasını ve omurgalılar genelindeki varlığını doğruladı; ancak insan suşları pediatrik bağlamlarda baskındı^[194]. Henry Tissier gibi araştırmacılar, diğer bağırsak mikroplarıyla etkileşimlerini daha da araştırarak, Escherich’in yetersiz beslenme veya immünosupresyon gibi belirli konakçı zayıflıkları altında virülansı ortaya çıkan fırsatçı bir sakin olduğu görüşünü pekiştirdi^[191]. Bu dönem, patojenik olmayan suşları dizanteri ile ilişkili varyantlardan ayırmak için zemin hazırladı, ancak kesin genetik mekanizmalar daha sonraki on yılları bekledi^[9].

Genetik ve Biyoteknolojideki Önemli Gelişmeler

1946’da Joshua Lederberg ve Edward L. Tatum, oksotrofik mutantları karıştırarak ve prototrofik rekombinantları gözlemleyerek Escherichia coli K-12 suşunda genetik rekombinasyonu gösterdi; bu, bakterilerde konjugasyon yoluyla yatay gen transferinin ilk kanıtını sağladı^[195]. Bu keşif, E. coli‘yi bakteriyel genetik için önde gelen bir model olarak belirledi ve kromozomun haritalanmasına ve bağlantı çalışmalarına olanak tanıdı. 1952’de Norton Zinder ve Lederberg, bakteriyofajların E. coli hücreleri arasında DNA transfer ettiği transdüksiyonu tanımlayarak genetik değişim mekanizmalarını daha da genişletti. Bu bulgular, bakteriyel genom dinamiklerini ve evrimini anlamak için temel ilkeleri oluşturdu.

François Jacob ve Jacques Monod tarafından 1961’de önerilen ve E. coli laktoz metabolizması çalışmalarından türetilen operon modeli, yapısal genlerin tek bir promotör altında koordineli ekspresyonu yoluyla gen düzenlemesini açıkladı ve baskılayıcılar ve indükleyiciler kavramlarını tanıttı^[196]. Eş zamanlı olarak, E. coli‘deki restriksiyon-modifikasyon sistemleri karakterize edildi; Werner Arber ve meslektaşları 1965’te ilk restriksiyon enzimini (EcoB) izole ederek, yabancı DNA’ya karşı bölgeye özgü kesim yoluyla konakçı savunmasını ortaya çıkardı^[197]. 1969–1970’de E. coli‘den saflaştırılan EcoRI gibi Tip II enzimler, modifikasyon enzimlerinden bağımsız hassas, diziye özgü kesimleri nedeniyle DNA manipülasyonu için temel araçlar haline geldi^[198].

Rekombinant DNA teknolojisi, 1972’de Stanley Cohen ve Herbert Boyer’in Staphylococcus direnç genlerini E. coli vektörleriyle birleştirerek E. coli‘de ilk kimerik plazmitleri inşa etmesi ve yabancı DNA’nın kararlı yayılımını kanıtlamasıyla ortaya çıktı^[199]. Bu, 1978’de Genentech tarafından, sentetik insülin genlerinin ölçeklenebilir ekspresyon için E. coli‘ye yerleştirilmesiyle rekombinant insan insülininin üretimini mümkün kıldı ve bakteri konakçıları aracılığıyla ilk terapötik proteini işaret etti^[200]. 1997’de Frederick Blattner’ın ekibi tarafından yayınlanan E. coli K-12 MG1655’in tam genom dizisi, 4,6 milyon baz çiftini kapsadı ve 4.000’den fazla geni tanımlayarak fonksiyonel genomik ve metabolik mühendisliği hızlandırdı^[156]. Sonraki biyoteknoloji gelişmeleri, endüstriyel enzim üretimi ve sentetik biyoloji şasisi için E. coli‘nin hızlı büyümesinden ve genetik izlenebilirliğinden yararlandı, ancak inklüzyon cisimciği oluşumu gibi zorluklar devam etmektedir^[9].

Tartışmalar ve Yanılgılar

Abartılan Patojenik Riskler ve Gerçeklik

Escherichia coli kamuoyunda sıklıkla üretken bir patojen olarak tasvir edilse de, suşların büyük çoğunluğu, tüm E. coli izolatlarının %90’ına varan kısmını oluşturan, insanların ve sıcakkanlı hayvanların bağırsaklarında zararsız bir şekilde yaşayan kommensal bakterilerdir^[201]. Bu suşlar, sindirime yardımcı olarak, K ve B-kompleks gibi vitaminleri sentezleyerek ve zararlı mikropların bağırsağı kolonize etmesini rekabet yoluyla dışlayarak konak sağlığına katkıda bulunur^[102]. Shiga toksinleri veya adezinler gibi edinilmiş virülans faktörlerine sahip patojenik varyantlar, küçük bir fraksiyonu temsil eder ve tipik olarak doğuştan gelen tür çapında bir tehlikeden ziyade belirli evrimsel adaptasyonlardan kaynaklanır^[79].

Amerika Birleşik Devletleri’nde, en kötü şöhretli patojenik suş olan enterohemorajik E. coli O157:H7 kaynaklı enfeksiyonların yıllık 73.480 vaka olduğu, yaklaşık 2.168 hastaneye yatış ve 61 ölümle sonuçlandığı tahmin edilmektedir; bu, 100.000 kişi başına kabaca 22 vakalık bir kişi başı insidanstır^[202]. Daha geniş Shiga toksini üreten E. coli (STEC) sürveyansı, yıllık yaklaşık 8.494 doğrulanmış vaka bildirmektedir, ancak yetersiz raporlama gerçek rakamları şişirmektedir; yine de bu sayılar, gıda zincirleri yoluyla her gün olaysız bir şekilde işlenen trilyonlarca hücreyi bulan iyi huylu E. coli‘ye rutin çevresel ve diyet maruziyetlerine kıyasla sönük kalmaktadır^[203]. Düşük temel risk, hastalığın sadece varlığı değil, aynı zamanda spesifik suş virülansını, konakçı duyarlılığını (örneğin küçük çocuklar veya yaşlılar) ve kıymanın az pişirilmesi veya kontamine sulama suyu gibi gıda güvenliği bariyerlerinin bozulmasını gerektirdiğini vurgulamaktadır^[204].

2009 ve 2017 yılları arasındaki birden fazla E. coli bağlantılı yapraklı yeşillik olayı gibi salgınların medya tarafından büyütülmesi, nadir görülen hemolitik üremik sendrom komplikasyonlarını vurgulayan sansasyonel haberlerle orantısız bir korkuyu beslerken, türün kommensal normunu küçümsemektedir^[205]. STEC enfeksiyonları için gerçek vaka-ölüm oranları, ağırlıklı olarak 65 yaşın üzerindekiler arasında olmak üzere %0,5 civarındadır ve bu oran, ayrım gözetmeyen ölümcüllük algılarının çok altındadır^[206]. Bu abartı, ampirik gerçeklikle çelişmektedir: E. coli kan dolaşımı enfeksiyonları klinik ortamlarda %9,6’lık bir 30 günlük ölüm oranı taşır, ancak toplum kaynaklı gıda kaynaklı riskler, uygun hijyen ve pişirme ile vektörlerin çoğunu ortadan kaldıran Salmonella gibi diğer bakteriyel tehditlere göre minimal düzeydedir^[207]. Düzenleyici tepkiler, virülan suşlar için haklı olsa da, genellikle izole olayları genel önlemlere dönüştürerek bakterinin ekolojik yaygınlığını ve mikrobiyomlardaki net faydalı rolünü göz ardı etmektedir.

Düzenleyici ve Halk Sağlığı Tepkileri

Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri (CDC) dahil olmak üzere halk sağlığı kurumları, kaynakları belirlemek, kontrolleri uygulamak ve daha fazla hastalığı önlemek için öncelikle O157:H7 gibi Shiga toksini üreten suşları (STEC) hedef alarak Escherichia coli salgınlarının sürveyansını ve araştırmalarını yürütür^[139]. CDC’nin PulseNet ağı, salgın suşlarını izlemek için tam genom dizilemeyi kullanarak hızlı müdahaleyi kolaylaştırır; örneğin, McDonald’s’ta servis edilen soğanlarla bağlantılı 2024 E. coli O157:H7 salgınında, 13 Kasım itibarıyla 14 eyalette 104 vaka tanımlanmış, tedarikçi geri çağırmaları ve kamu tavsiyeleri teşvik edilmiştir^[208]. Bu çabalar, kıyma, yapraklı yeşillikler ve ürünler gibi kontamine gıdalara kadar iz sürmeyi vurgulamaktadır; tarihsel veriler 1982’den 2002’ye kadar bildirilen STEC O157 salgınlarının sıklıkla az pişmiş et veya pastörize edilmemiş ürünlerle bağlantılı olduğunu göstermektedir^[202].

Yüzlerce kişiyi hasta eden ve ölümlere neden olan E. coli O157:H7 ile kontamine kıyma içeren 1993 Jack in the Box salgınına yanıt olarak, ABD Tarım Bakanlığı’nın Gıda Güvenliği ve Denetim Servisi (FSIS) 1994 yılında patojeni çiğ kıymada bir tağşiş maddesi (adulterant) ilan etti ve buhar pastörizasyonu ve Tehlike Analizi ve Kritik Kontrol Noktaları (HACCP) sistemleri gibi patojen azaltma müdahalelerini zorunlu kıldı^[209]. Bu, rutin FSIS testlerine yol açarak enfeksiyon oranlarını 1994 öncesi temel değerlere kıyasla 2001 yılına kadar 100.000’de 0,9’un altına düşürdü^[210]. 2012’de FSIS, testleri bozulmamış sığır eti ürünlerinde “Büyük Altı” O157 olmayan STEC serogrubuna (O26, O45, O103, O111, O121, O145) genişleterek işlemcilerin süreç kontrollerini doğrulamasını gerektirdi^[211].

Gıda ve İlaç İdaresi (FDA), 2011 Gıda Güvenliği Modernizasyon Yasası (FSMA) kapsamında, sulama suyundan gelen E. coli dahil olmak üzere mikrobiyal kirlenme risklerini en aza indirmek için 2015 yılında Ürün Güvenliği Kuralı’nı oluşturdu; bu kural meyve ve sebzelerin yetiştirilmesi, hasat edilmesi, paketlenmesi ve saklanması için bilime dayalı standartlar belirledi^[212]. Çiftlikler tarımsal su kalitesini değerlendirmelidir; mikrobiyal kriterler, birden fazla numunede 126 CFU/100 mL geometrik ortalamanın altında E. coli seviyeleri gerektirir; uyumluluk en büyük operasyonlar için 2017’de başladı ve örnekleme protokolleri için Yapraklı Yeşillikler STEC Eylem Planı gibi devam eden iyileştirmelerle sürdü^[213]. Bu önlemler, doğrulanmış sulama ve işçi hijyeni uygulamalarını teşvik ederek marul gibi ürünlerdeki tekrarlayan salgınları ele almaktadır^[214].

Çevre Koruma Ajansı (EPA), rekreasyonel su standartlarında fekal kontaminasyon göstergesi olarak E. coli‘yi kullanır ve gastrointestinal hastalık risklerine karşı korunmak için tatlı suda birincil temas için 2012 kriterleri kapsamında 126 CFU/100 mL geometrik ortalama ve 410 CFU/100 mL’yi aşan tek bir numune olmamasını önerir^[215]. Eyaletler bunları Temiz Su Yasası kapsamındaki su kalitesi standartlarına uyarlar ve izleme, bozulmuş sular için toplam maksimum günlük yüklere bağlanır. Uluslararası alanda, Dünya Sağlık Örgütü içme suyunda (100 mL’de saptanabilir sıfır) ve gıda güvenliğinde E. coli için kılavuzlar sunarak tedarik zincirlerinde salgın sonrası izlenebilirlik gibi küresel tepkileri etkiler^[102].