分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

【2013回顧】PNAS 十個細菌小故事(上)

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

自從 PanSci 秘密總部下了這道要繳交 2013 回顧文作業的指令後,我寢食難安。細菌無處不在。從大氣雲霧動植物到溫泉沙漠化糞池裡,各有不同專家研究在那個舞台上細菌主角的故事,可是沒有一個人膽敢說自己有能耐追踪細菌在這麼多各領域留下的風流韻事啊!該怎麼做,作業才交得出來哩?想想過去這年常常在美國國家科學院期刊 PNAS 上看到有趣的細菌事跡,我決定要來重新認真檢查今年出現在上頭的研究。在讀了符合初選條件的 998 篇論文的標題後,我選出了自己覺得最好玩的 10 篇故事,推薦給 PanSci 的各位朋友們。過去這一年裡我經常是對著這類研究報告進入夢鄉的啊,過年睡不著的時候或許它們還可以派得上用場。

大睡袋的優雅滑行

過年一定要給它睡到飽;最好是拿個大睡袋把自己從頭到腳封起來,誰都不可以來吵。說到這,你有沒有玩過把自己封在睡袋裡,然後再試著往前進?你一定得伸出手往外擠,從外面看就是睡袋腫了個包,不過光靠這突起來的包,睡袋怪獸還是可以往前慢慢移動的。

現在要講的這篇研究解開了困惑學界數十年的大謎團。Myxobacteria 這類細菌會動,可是怎麼移動一直沒人找出答案。細菌的運動要靠鞭毛,可是這些細菌根本沒有這構造。如果把它們放到光學顯微鏡底下觀察,你可以看見這細菌輕輕滑過玻片表面,好像啥也不用做就能保持前進,優雅得很,也因此得到了滑走細菌(gliding bacteria)的稱號。這篇研究裡發現這群細菌的細胞裡有很多個 AglR 蛋白。這些蛋白在細胞膜底下沿著軌道運行,從細胞外面看就會是小突起劃著螺紋軌跡移動,幫助這隻細菌在固體表面前進,就像睡袋裡的你可以持續緩慢優雅地向床尾前進一樣。不過如果你要做這個實驗,請注意摔下床時不要以頭著地。

研究原文

Nan B, Bandaria JN, Moghtaderi A, Sun IH, Yildiz A, Zusman DR. Flagella stator homologs function as motors for myxobacterial gliding motility by moving in helical trajectories. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Apr 16;110(16):E1508-13. doi: 10.1073/pnas.1219982110.

長尾巴的好處

很多細菌隨著水四處遷徙,直到找到不錯的地方就待下來,開始定居生活。住下來的細菌為了保護自己,會用大量多醣類在細胞外堆出驚人的城堡,叫做生物膜(biofilm)。我們經常發現浴室物品表面滑滑的,應該就是借住你家細菌的生物膜公寓。浴缸上的生物膜拿塊菜瓜布就解決了,如果這生物膜出現在海底管線或醫療管線中,那就是大問題了。所以很多人都在想辦法阻止細菌黏上這些設備。

要阻止細菌附著,用抗生素是個方法,但不是每個狀況都能用,也常常效果不好。這篇研究裡作者發現使用有花紋的平面,受測的大腸桿菌比較不容易附著;在測試的兩小時內效果顯著。不過一旦時間拉長,在花紋面上的細菌附著的比在光滑面上附著的還要多。這怎麼會出現龜兔賽跑裡強弱互換的情節哩?原來一開始有花紋的平面在紋路溝槽裡會抓住小氣泡,與水相斥,所以細菌比較容易黏在光滑面上。接著細菌分泌某些物質增加親水性,讓自己可以貼在這些平面上。這時兩種平面就該打成平手,一樣好黏。接著神奇的事發生了,研究人員發現受測的細菌會把鞭毛卡進溝槽裡增加附著的面積,這樣就抓得更牢了。原本以為花紋面可以阻擋細菌附著的,沒想到反而有反效果耶。這次這場比賽是人輸了,我們期待下一回合吧!

研究原文

Friedlander RS, Vlamakis H, Kim P, Khan M, Kolter R, Aizenberg J. Bacterial flagella explore microscale hummocks and hollows to increase adhesion. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Apr 2;110(14):5624-9. doi: 10.1073/pnas.1219662110.

 

噬菌體:免疫系統最前線?

你一定知道,想要對付敵手的進攻,把它怕的東西抓來守大門就對了。

這篇研究講的就是這一個道理,可是它卻發生在一個我完全沒想到情境上。這實在是個太大膽的推論,忍不住要跟大家分享。故事起因於一群海洋病毒學家發現了一個現象:在海洋動物的黏液裡,有大量的噬菌體的基因出現。進一步比對發現從海葵多毛類到魚類人類都有這個現象。他們回實驗室用能分泌黏液的人類細胞株進行測試,發現這些細胞果然可以留住比較多的 T4 噬菌體

為什麼呢?動物的黏液被認為只要用來對付外界微生物的屏障,為什麼和獵殺細菌的噬菌體有關?難道這樣可以用來對抗細菌的進攻嗎?他們在這些能分泌黏液的細胞上先加 T4 噬菌體附著在黏液裡,再加入大腸桿菌,結果發現因為噬菌體的關係,成功留在動物細胞上的細菌數量顯著變少。

這群研究人員證實了噬菌體可以利用外鞘蛋白裡 hoc 基因產物裡的類抗體區段(Ig-like domain)來和人類黏液蛋白(mucin)結合。接著他們遍尋前人的基因資料庫,發現類抗體區段的基因真的在各種黏液樣本裡出現的機率比較高。這下假設清楚了:動物黏液裡有大量黏液蛋白,而噬菌體的外鞘上有類抗體區段可以和黏液蛋白結合而被拉住。噬菌體長得像登月小艇,外鞘蛋白裡包著 DNA,用尾部感染細菌。黏液拉住了噬菌體的頭,把尾部朝向外面的敵人。如果有細菌膽敢進攻,一定會先接觸到噬菌體的尾部而被攻擊。雖然這個假設還有一些不確定的地方(請看這篇解析),不過看起來是個相當可行的假設。我們動物是不是利用黏液來收編噬菌體,當做免疫系統的傭兵呢?

研究原文

Barr JJ, Auro R, Furlan M, Whiteson KL, Erb ML, Pogliano J, Stotland A, Wolkowicz R, Cutting AS, Doran KS, Salamon P, Youle M, Rohwer F. Bacteriophage adhering to mucus provide a non-host-derived immunity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jun 25;110(26):10771-6. doi: 10.1073/pnas.1305923110.

 

靜靜聽,偷偷用

沙門氏桿菌在人類造成傷寒或腸胃炎,經由受到糞便污染的食物進入人體,是典型的病從口入型小惡魔。最近幾年這群細菌的神奇本領一項一項被發現,這篇研究談的就是其中的一種。

過去研究裡知道大腸桿菌會製造吲哚(indole),而且對大腸桿菌來說, 吲哚是個警告訊息, 細菌在偵測到附近有吲哚時會提高警戒, 其中一項改變是製造並啟動外送幫浦蛋白來對付抗生素。在細菌族群裡如果有一隻細菌發現附近有抗生素出現, 便會快速釋出吲哚,警告其它同伴們趕快應變,就像群居的土撥鼠會用叫聲告訴同伴敵人來了快躲起來一樣(有興趣的人可以試試這個連結)。

不過沙門氏桿菌沒有製造吲哚的能力,演不出一場感人的捨己救人的好戲。它的手段更高明:偷聽人家的就好了。當有抗生素出現在動物腸道裡的時候,在地居民大腸桿菌會發揮守望相助的精神警告同伴,大家趕快啟動保命機制。而沙門氏桿菌是外地來的壞人,學會了大腸桿菌的化學語言,只要聽到大腸桿菌在警戒了,自己也趕快武裝起來。腸道裡是一定會有大腸桿菌的,所以沙門氏桿菌可以放心地把命交在這些在地居民的身上。

研究原文

Vega NM, Allison KR, Samuels AN, Klempner MS, Collins JJ. Salmonella typhimurium intercepts Escherichia coli signaling to enhance antibiotic tolerance. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Aug 27;110(35):14420-5. doi: 10.1073/pnas.1308085110.

 

2667_Spotted_Hyena_Cubs

圖為斑點鬣狗小朋友。取自維基百科

是不是朋友?讓我多聞一下

你一定有過類似的經驗,人有味道,有些人的氣味就是會讓你特別坐立難安(想要撲上去),有些氣味就讓你覺得不喜歡想逃避。

接下來介紹的這篇就是有關氣味的研究。這是個後續研究。這群學者在 2012 年發表了第一集(過去談過這篇啦,我要買一瓶魅力倍增菌!),現在收集了更多證據回來發表了第二集。這群作者在 2012 年時證實一個學界猜想很久但苦無直接證據的假說。哺乳類動物可以利用氣味來辨識族群,但是同一個物種的動物,如何能製造出這種隨族群,甚至隨個體而改變的獨特氣味?答案是,靠身上的細菌,把皮膚分泌的油脂發酵代謝成短鏈脂肪酸。每個人、每隻動物皮膚上帶的細菌組成不一樣,而這個差異可能就決定了短鏈脂肪酸的組成。這些短鏈脂肪酸是會揮發的,於是變成了動物可以用嗅覺辨別的氣味。同一族群的個體生活在一起,彼此間接觸機會多,身上帶的細菌組成比較像,就會帶有比較熟悉的氣味。

他們在 2012 年證實四群在肯亞的斑點鬣狗(spotted hyena)在氣味腺各自有自己族群獨特的細組成。這次他們帶來更清楚的證據來支持這個”發酵氣味假說”。這次研究包括一群 斑點鬣狗和兩群條紋鬣狗(striped hyena)。結果發現三群鬣狗在氣味腺的細菌組成不相同,斑點鬣狗和條紋鬣狗差異很大。他們同時也看短鏈脂肪酸的組成差異,發現趨勢跟菌相組成相近。在同一族群裡的個體也會因為性別、年紀及生殖週期而有菌相及短鏈脂肪酸組成上的明顯差異。這個研究進一步證明了哺乳類的確有利用細菌創造各門派獨特氣味的能力。”友多聞”要有新定義了,下次認識新朋友時,記得要多聞一下。

研究原文

Theis KR, Venkataraman A, Dycus JA, Koonter KD, Schmitt-Matzen EN, Wagner AP, Holekamp KE, Schmidt TM. Symbiotic bacteria appear to mediate hyena social odors. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Dec 3;110(49):19832-7. doi: 10.1073/pnas.1306477110.

 

後面還有五個故事,在下集

—————————–

延伸科學再發現@科技大觀園


更多內容也可以上科技大觀園搜尋「細菌」,或每週六上午8點收看民視53台科學再發現

關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。