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推理要在實驗室:為什麼有些細菌會致病、有些不會呢?

細菌的身世之謎

為什麼有些細菌會致病、有些不會?為什麼有些細菌需要依賴宿主存活、有些不用?要回答這些問題,需要比較不同的細菌,找出其中基因的異同處,就如同推理劇般一步步推敲細菌們的演化史。

「世界上有很多細菌,我們的工作是研究這些細菌如何變得不一樣!」中研院植物暨微生物所的郭志鴻副研究員說,圖/by 張語辰。

為什麼研究細菌?

細菌的多樣性非常高,因為演化的歷史比動植物長很多,可以生存的環境也很多樣。

目前證據顯示細菌在三十億年前就在地球上出現,而多細胞生物的演化史則不到十億年。另外動植物能生存的範圍蠻窄的,但無論在高溫、低溫、高壓、低壓、低氧……什麼奇怪的環境都能找到細菌,所以能探討的題目就很多。

我從博士後訓練時期開始投入「細菌基因體演化」的研究。一開始先問巨觀的問題,例如說有什麼演化趨勢是在大部份的細菌都會發現。 2010 年起在中研院建立自己的實驗室,興趣也轉向針對微觀的細節深入研究。近年來主要的研究材料是柔膜菌綱中的「植物菌質體」和「螺旋菌質體」。

細菌演化有何奇妙現象?

在演化的歷程中,細菌擁有的基因「種類」和「數量」會有劇烈的變化。

橫軸可以解釋為細菌演化的歷程,也可以解釋為細菌有多需要宿主。資料來源:Winding paths to simplicity: genome evolution in facultative insect symbionts,圖重製/by 林婷嫻、張語辰。

若以基因體大小和宿主依賴度來分,細菌可分為「環境微生物」、「兼性共生菌」、「絕對共生菌」。

在細菌演化的歷程中,一開始的環境微生物基因體較大,帶有各式各樣在自然環境中生存所需的基因。但經過「第一次過渡事件」後,就從完全不依靠宿主,變成兼性共生菌,在有些條件下和宿主一起存活。

當需要依靠特定的動植物時,細菌的族群就不能比宿主大,一但細菌的族群變小,「天擇」的力量就會減弱,由隨機事件掌控的「遺傳漂移 (genetic drift) 」就變得比較重要。許多突變,即使對細菌本身不利,都有機會因為隨機事件遺傳給下一代,甚至到族群中所有個體。

族群大,天擇重要;族群小,遺傳漂移重要。

細菌基因體的突變,最常見的形式是「基因丟失」,這些被丟失的基因不是絕對必要、比較像「備用工具」,若失去這些備用工具平時不會產生大影響,這個結果就容易遺傳給下一代。

到了「第二次過渡事件」,細菌從兼性共生變成絕對共生,不能再離開宿主,例如柔膜菌綱的「植物菌質體」。這時候因為很多營養可以改成從宿主身上取得,許多自行合成氨基酸、脂質等養份的基因就像不再被需要的備用工具,也自然從細菌的基因體中消失。也因此這些細菌可能走入演化的死巷,難以再轉換到其他的生態棲位。

細菌三十億年前出現在地球上,這些基因演化發生地多快多慢,目前並不清楚,因為細菌不像恐龍有化石紀錄,很難定年。

實驗室在研究哪些細菌?

我們實驗室主要研究柔膜菌綱中的細菌。這類細菌最廣為人知的是「黴漿菌」,引起很多人類跟動物的重要疾病,世界上有很多實驗室在研究。而我們則主要研究「植物菌質體」和「螺旋菌質體」,並比較這三群細菌間的異同。

柔膜菌綱包含三種:「黴漿菌」會讓溫體動物生病;「植物菌質體」會讓植物生病;而大部分的「螺旋菌質體」是節肢動物的共生菌,有的會致病、有的不會致病。資料來源:郭志鴻,圖重製/by 林婷嫻、張語辰。

植物菌質體是一群由昆蟲傳播的植物病菌,幾十年來都無法被人工培養。我們透過基因體定序,由受感染的植物中分別解出「植物」和「植物菌質體」的 DNA 序列 ,並將「健康的植物」和「被感染的植物」做比較分析,來了解植物菌質體如何讓植物生病,這對農業非常重要。

左為健康的繡球花,右為受植物菌質體感染、該開花的部位長出葉子。圖/from Genomic and evolutionary aspects of phytoplasmas

植物菌質體進入植物體內後,會分泌小小蛋白質、調控植物細胞裡基因的表現,讓該開花的部位長出很多葉子。

植物菌質體可以將植物「開花」的機制切換成「長更多葉子」的機制,如此一來植物無法傳宗接代,在演化上等於死掉一樣。而且因為植物無法開花結果,對農業生產造成很大的問題。

除此之外,植物菌質體還會降低植物用來防禦昆蟲的化學物質、吸引昆蟲來吃植物,這麼一來植物菌質體又能藉由昆蟲散播到新的宿主。我們正在研究植物菌質體是利用什麼機制來調控這過程。

相對於「植物菌質體」都會讓植物宿主生病,同屬於柔膜菌綱的「螺旋菌質體」,大部分是節肢動物的共生菌,有的會讓宿主生病、有的不會。

這是螺旋菌質體好玩的地方,我們能從「比較基因體學」的角度,去看螺旋菌質體這個屬內的「病菌」和「非病菌」物種的基因哪裡不同,是多了或少了某個基因造成這種差別;也能探討這些演化是如何發生,是藉由「垂直基因遺傳」、或是「水平基因轉移」。

螺旋菌質體在光學顯微鏡下,看起來像被稍微拉長的捲捲電話線。資料來源:Chemotaxis without Conventional Two-Component System, Based on Cell Polarity and Aerobic Conditions in Helicity-Switching Swimming of Spiroplasma eriocheiris,圖重製/by 林婷嫻、張語辰。

為什麼有些細菌會致病、有些不會?

和三斑家蚊共生的螺旋菌質體 S. diminutum ,可以和蚊科宿主和平共處。但另一種和三斑家蚊共生的螺旋菌質體 S. taiwanense ,會破壞蚊科宿主的組織、增加死亡率。資料來源:Comparison of Metabolic Capacities and Inference of Gene Content Evolution in Mosquito-Associated Spiroplasma diminutum and S. taiwanense,圖重製/by 羅文穗、張天昫、林婷嫻、張語辰、郭志鴻。

我們這幾年研究蚊子身上的螺旋菌質體,結果發現有致病性的 S. taiwanense 能夠消化的「碳水化合物」較少,但因為帶有一組非病菌所沒有的 glpO 基因,能在蚊子體內改吃甘油、並生成「過氧化氫」等「活性氧物種」,造成蚊科宿主的細胞溶掉、釋放出細胞裡的蛋白質和脂質, S. taiwanense 就能吃這些蛋白質和脂質作為養分來源,相當具有侵略性。

S. taiwanense 這樣苦苦相逼宿主有什麼好處?它採取的策略是,只要我傷害宿主可以多複製幾個細胞,提高傳播到下個宿主的機會,就是有利的生存策略。反過來說,若宿主是獨居性的動物,一座山頭只有一隻,共生菌就會傾向與宿主和平共存,因為若傷害宿主、細菌也無法存活。

共生菌要多具有侵略性,受限於宿主的「族群密度」和「傳播機會」。

會做這個題目是因為,我們透過文獻知道 S. taiwanense 和 S. diminutum 這兩種螺旋菌質體都是蚊子的共生菌,但 S. taiwanense 會使蚊子生病, S. diminutum 卻不會。我們選了一些與 S. taiwanense 、 S. diminutum 親緣關係相近的菌種,比較這些菌種的演化史,看看是哪個基因造成這種差別。除了多瞭解台灣本土的昆蟲共生菌之外,也許有機會發展於登革熱的生物防治。

細菌會水平轉移基因?

以前課本教:基因是爸媽遺傳給我們,因此一般會認為生物演化大多是「垂直基因遺傳」,再慢慢累積突變,造成物種間的差異。而「水平基因轉移」的意思是,一個物種可以從其他物種得到自己原本所沒有的新基因,這是細菌演化上很重要的機制。

細菌是體細胞兼生殖細胞,所以很容易「水平轉移」基因。

如下圖,我們分析細菌的親緣關係,發現剛剛提到的 glpO 基因是從別的菌種「水平轉移」拿來的。這些新拿來的基因不只存在於細菌基因體中裡,還會被納入基因調控的分子機制中、產生新的反應。

(A)圖:若基因演化史為「垂直遺傳」,則親緣關係會像此圖。演化關係相近的物種,例如上方五個以紅色標示的螺旋菌質物種,在親緣樹上也會較接近。
(B)圖:來自 S. taiwanense 的基因 (STAIW_v1c07530))跟其他的螺旋菌質體物種的基因(紅色)關係較遠,反而跟黴漿菌的基因(藍色)關係較近,推測可能是因為此基因是 S. taiwanense 自黴漿菌水平轉移而得到。資料來源:Molecular Evolution of the Substrate Utilization Strategies and Putative Virulence Factors in Mosquito-Associated Spiroplasma Species

「超級細菌」是怎麼回事?

目前人類了解的細菌不到整體百分之一,而新科技的發展讓我們開始慢慢了解許多過去沒研究過的細菌。有在實驗室被成功培養出來的細菌中、會讓人類生病的是少數中的少數。

大約一百年前,抗生素剛被發現就像「魔法子彈」,可以治療幾乎所有細菌感染的疾病,但後來抗生素開始失去效果,因為細菌經由基因突變、或藉由水平基因轉移,可以抵抗抗生素。「超級細菌」是因為具備多重抗藥性,已經湊齊能抵抗不同抗生素的基因,除非醫學又開發出新型的抗生素,否則醫生就無藥可用。這過程就像人類和病菌間持續的軍備競賽。

帶有這個抗藥性的基因對細菌有利,這是人類造成的天擇。

天擇造成的生存壓力很大,本來只有某種細菌有某個特定的抗藥性基因,但不同的細菌之間容易互相藉由「水平轉移」傳播抵抗不同抗生素的基因。在疾病管理上,盡量不要讓不同病人帶有的病菌有機會互相接觸。

若要避免產生超級細菌,唯一有效的方法是不要用抗生素。因為在有抗生素的環境中,細菌帶有抗藥性的基因是有利的;但若在沒有抗生素的環境下,細菌帶有抗藥性的基因就變得多餘。

實際上,不要用抗生素真的很難,若非得要用,就要用得徹底,醫生開給你七天的藥就要吃完,讓足夠的藥劑量將病菌在發展出抗藥性前徹底殺死。

如何找到實驗靈感?

沒有公式可以依循,失敗的題目遠比成功的多。

我們從文獻上知道有哪些細菌存在、知道前人做了什麼、有哪些可以做還沒做、有不有趣。做完這些評估,我們再來想想實驗室能不能做到,覺得有希望就試試看。

失敗的話怎麼辦?就偷偷傷心一下下再努力(笑)。例如說賣雞排,倒掉的店也比賺大錢的多,這點可能各行各樣都差不多。

走學術研究這條路,從研究所開始就是不斷面對失敗的訓練。當上老師後不但要分擔學生的挫折,還要為了研究計畫的申請跟成果的發表奮鬥。雖然不斷面對失敗免不了難過,但回頭看過程中學到的經驗,怎麼把困難的問題理出頭緒,找到自己的看法,最後能有幾個有趣的故事可以說出來跟大家分享,這就是做研究迷人的地方。

延伸閱讀

  1. 郭志鴻的個人網頁
  2. 〈蚊科昆蟲共生菌的致病基因演化〉,作者:羅文穗、郭志鴻
  3. Wen-Sui Lo, Ya-Yi Huang, Chih-Horng Kuo* (2016) Winding paths to simplicity: genome evolution in facultative insect symbionts. FEMS Microbiology Reviews, 40, 855-874.
  4. Lo WS, Gasparich GE, Kuo CH* (2015) Found and lost: the fates of horizontally acquired genes in arthropod-symbiotic Spiroplasma. Genome Biology and Evolution 7: 2458-2472.
  5. Chang TH, Lo WS, Ku C, Chen LL, Kuo CH* (2014) Molecular evolution of the substrate utilization strategies and putative virulence factors in mosquito-associated Spiroplasma species. Genome Biology and Evolution 6: 500-509.
  6. Lo WS, Ku C, Chen LL, Chang TH, Kuo CH* (2013) Comparison of metabolic capacities and inference of gene content evolution in mosquito-associated Spiroplasma diminutum and S. taiwanense. Genome Biology and Evolution 5: 1512-1523.

CC 4.0

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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關於作者

研之有物│中央研究院

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