大腸桿菌的學名是Escherichia coli，簡寫成E. coli，這或許是許多人所認識的第一個生物學名。現代的生物學實驗室，不管是研究細胞生物學、遺傳學、生理學，甚至是分類學與演化生物學的，只要運用到分子生物技術，通通離不開與E. coli打交道。雖然大家都養大腸菌，但是其實在今天研究大腸菌的人並不多，不是主流。細菌由於生長快速容易培養，而且體制簡單適合從事生化分析，早年對於分子生物學的貢獻極大。但是細菌畢竟還是細菌，屬於染色體DNA裸露的原核生物，不像其他動植物等真核生物一樣有組織蛋白(histone)包裹著DNA；細菌的細胞沒有高度分化胞器，生理與生化特性跟其他生物還是有所差異，所以當新的真核模式生物系統漸趨完備之後，主流的焦點當然就集中在那些比較接近人類的實驗體系上去了。
既然大家都不是真正研究大腸菌，可是又通通在自家實驗室裡養大腸菌，這究竟是怎麼一回事？原來大腸菌雖然當不了研究主角的大明星，卻是不可或缺的幕後英雄。我們要選殖基因，想對DNA進行突變剪接操弄，這些工作都不是光在試管中把藥品酵素試劑加一加就能完成的，因為酵素試劑的量有限而價昂貴，在合理的成本之下我們很難藉由試管中的反應拿到足夠量的DNA來從事後續研究，這時就必須倚靠大腸菌當作穩定價廉又源源不絕的工廠生產線，來幫我們大量製造所要的DNA。除此之外大多數在試管中的反應都無法百分之百完成，所以拿到的會是反應物與產物外加副產品的混合物，我們也必須利用導入大腸菌的過程來篩取正確所要的DNA終產物。大腸菌細胞內除了自己的染色體DNA之外，還可以帶有一種分子量比較小，可以獨立複製存在的環狀DNA，稱為質體(plasmid)。這類質體DNA正是所有分子生物學研究不可或缺的工具。講得極端一點，沒有質體，就不會有遺傳工程或基因改造技術的興盛成熟。大腸菌的質體DNA之所以有這麼一個關鍵地位，主要是因為質體可以看做是寄生在大腸菌體內的DNA，可以自己複製到一定的套數(copy number)，而科學家又能很容易地把它自大腸菌裡分離出來，進行改造，質體就變成一種好的載體(vector)，幫助研究人員把基因引入細胞來生產擴增。質體上一般並不攜帶著大腸菌維生所要的基因，所以研究人員可以改變或修改質體DNA ，把自己要研究的、來自於其他物種的基因DNA加到質體上，但不致於對大腸菌的生長有太大的影響。然後這些加工完成、帶有所要研究的基因的質體就在細菌內自行複製幾十套或幾百套，而我們又可以輕易地養一大瓶大腸菌，如此一來研究人員就可以拿到足夠量改造過的基因，以供進行其他的實驗分析。而我們可以把體內帶有這些改造質體的大腸菌品系放到冰庫中冷凍起來，萬一DNA用完了還想再提取，只要解凍再接種培養一瓶，就又能抽提出一大堆質體，拿到上面攜帶的基因，方便又經濟。
把質體送入大腸菌的步驟叫做轉型(transformaion)，從小量的大腸菌培養液中抽提出質體DNA則是叫做質體的微量製備(miniprep)，這轉入提出幾乎是分子生物技術入門的第一課。進行轉型之前必須先把大腸菌作處理，讓細菌細胞得以勝任愉快，能很容易就獲取外來的質體DNA。古典的轉型程序是把大腸菌細胞懸浮在氯化鈣水溶液中以改變細胞的性質，然後把質體與大腸菌細胞混合置於冰上一陣子，讓質體DNA附著在細胞表面，接著短短地加溫幾十秒讓細胞感受到一陣熱刺激。細胞受熱嚇一跳，細胞膜的通透性也突然改變，原本吸附在表面的質體DNA就趁此時被納入細菌細胞裡。如果我們在質體DNA上還加了抗藥性基因當作篩選的標記，就可以把這些菌液塗抹在含有抗生素的固態洋菜培養基上。等到第二天，沒成功引入質體的大腸菌死掉了，但是帶有抗藥性質體的大腸菌就長成一個個小菌落。下一步，用滅菌過的牙籤沾一點小菌落，在盛有液體培養基的養菌管中攪一攪，就把細菌接種到培養液裡去。恆溫培養個幾個小時，帶有質體的大腸菌在營養的培養液中開始增生，等到菌液變成混濁就可以來抽提質體了。
質體DNA的微量製備是另一項分子生物實驗的日常例行公事。首先把混濁的菌液離心一下，細菌的密度大就被離心力帶下來沉在底部形成菌塊。接著把上清液倒掉，加入溶液重新把菌塊打散懸浮，然後加入氫氧化鈉與一種介面活性劑。所謂的介面活性劑其實就是清潔劑，一個分子兩端各帶有親水與親油的性質。細胞膜是脂質構成的，加入清潔劑後就與親油的一端產生交互作用，細胞就破掉了而把蛋白質與染色體DNA釋放出來。記得好幾年前教我作這個實驗的學長說這個把細菌溶解的步驟完成時，整個小管子中的流體會變成澄清卻黏稠，看起來像是鼻涕狀。直到今天，當我做到這個步驟時，還是常常對於他那生動富想像力的比喻讚嘆不已，是多麼真確卻噁心，讓我無法忘記。接下來，加入醋酸與醋酸鉀溶液來改變酸鹼值，蛋白質與清潔劑分子因而變性凝集成塊，同時也把細菌的染色體DNA糾纏住，但是質體DNA卻因為分子量小，可以保持懸浮游離。所以利用離心把那一大堆蛋白質染色體DNA的複合物沉降下來，上清液中就剩下質體DNA了。最後一步，把上清液取出來，加入一定濃度的酒精來改變溶液的介電性質與溶解度，質體DNA分子也隨之因而析出，再經過離心收集，就可以看到一小塊白白的東西沉降貼在離心管底壁上，這個就是我們花了小小一番功夫所要的質體DNA。
養大腸菌來轉型與微量製備質體DNA是基本動作，也早就列在大學普通生物學實驗或是遺傳學實驗的教材裡。在今天，上面講的這些古典的操作程序已有多種改進：以瞬間電壓的改變來取代熱刺激，可以提高轉型效率好幾個數量級﹔而微量製備的諸多手續也驅使廠商研發出多種專供抽提DNA的親合性管柱，只要把細菌溶解，加到管柱去離心再洗一洗，然後加水沖提就可以拿到質純量佳的DNA。甚至因應後基因體時代大量操作的需求，已經可以從接種菌株開始一直到最後分離出質體DNA為止，通通不假人手，完全交給機器人一貫自動化作業。不過不論程序儀器怎麼變，分子生物實驗對大腸菌的依賴還是一時取代不了。畢竟，這些小小的細菌還是大自然的精密設計結晶，是很有效率的有機小工廠。人定勝天的豪語終有極限。
附註:
想看大腸桿菌的樣子，可以到這裡去：
http://mypaper1.ttimes.com.tw/user/danielyt/file_combine.php?File=234692_2001-04-30_21-07-45
