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解開生命奧祕的大腸桿菌 ──《小生命》

本文是對《小生命》一書所作的讀書摘要,作者為張清浩,原發表於 張清浩律師的部落格

小生命

大腸桿菌解開生命奧祕

Microcosm: E.Coli and the New Science of Life (2008)

作者:Carl Zimmer,譯者:潘震澤
出版社:時報出版
出版日期:2009年9月

摘要:

我們每個人的腸道,有多達三十種不同品系、數十億個大腸桿菌(E. Coli)與我們每個人共存,它們可以幫助我們分解醣類,製造人體所需的維生素與胺基酸,也會釋放某些化學物質以擊退病原菌。雖然有些大腸桿菌品系確實具有致命性,例如O157:H7,但大多數是無害的。我們和我們腸內的大腸桿菌,都屬於同一生命共同體的成員。其實,幾乎地球上每個溫血動物體內,都有那麼多的大腸桿菌。它們也存活在河流、森林裡。同時,也活在數以千計的實驗室的培養瓶與培養皿上。p16,94,95

外層:

大腸桿菌是個有包裝緊密、有內外之分的包裏;外層有套囊、細胞膜。細胞膜外膜有數十萬個孔道,以供特定分子及水分子進入、廢物出去,內部並形成巨大壓力,一扎就爆。也有酵素來隨時修損復細胞膜的損害。而大腸桿菌面臨的困境,人類同樣也有。我們使用皮膚作為外在的屏障,皮膚上有許多小洞,給汗腺等管道出入;受損的老皮膚細胞不斷脫落,新的又從底部生長分裂。我們消化道內襯的細胞也一樣,那算是我們內在的皮膚。這種快速的汰舊換新,讓我們的外在屏障得以迅速修復及避開感染,但也會因每次進行細胞分裂,就產生變成癌細胞的小風險。因此,皮膚癌及大腸癌會屬於最常見的癌症。

變異性:

人與人之間的差異,多不勝數。我們不只是由寫在DNA上的程式所產生的輸出而已。當我們還在母親的子宮裡發育時,我們的基因就與來自母親的信息進行互動。我們出生後,環境繼續以無從預期的方式影響我們的基因。我們吃的食物、呼吸的空氣、感覺以及其他所有的一切,對於哪些基因得以活化都有所影響。這就是生命當中充滿著差異的原因。我們之間的差異,不只是難以追溯,同時也是驕傲之源。

大腸桿菌也是一樣,一個擁有相同基因組成的菌落,在相同的環境刺激下,它們會有不同的反應與行為,各自擁有各自的特徵。

生物不僅是由基因軟體所操控的程式而已,就算微小如微生物,同樣的基因以及相同的基因網路,也可能導致不同的命運。

社會行為:

大腸桿菌也會有社會化的現象,它們能以相互纏繞的鞭毛,連結成一個不斷翻騰的整體,蜂擁而行,而在腸壁上移動。它們也能形成一層生物膜(biofilm),會有漂過的大腸桿菌加入它們,生物膜內的大腸桿菌會執行不同的任務,形成網路,形成共同生命體。它們可以聯手抵禦外來微生物、病毒或抗生素,或是製造統稱為大腸桿菌素的化學武器,也會聯手捕捉食物。

大腸桿菌,活著除了吃喝拉撒、繁殖子代外,也有不少「智慧」存在。靠著簡單幾種接受器以及由系列基因形成的線路,大腸桿菌可以預測環境的改變,想辦法趨吉避凶。為了個體與族群的存活,大腸桿菌可是既自私又互助、好競爭且合作,與人類社會無異。當有外患存在時,少數大腸桿菌會製造大量毒素,並引爆自殺,以消滅敵人。當環境惡劣時,眾多大腸桿菌會形成稱為「生物膜」的群體構造,同舟共濟,以度過難關。(摘錄自本書導讀〈從細菌看生命〉,潘震澤)

老化:

大腸桿菌也會老化,它們在分裂成兩個個體時,會將老舊的、損傷的部份推到一端,傳給其中一個分裂出的後代,這個老化的大腸桿菌會生長得越來越慢,以維持其他後代的年輕。對人類跟大腸桿菌來說,活著這項特權,必須以死亡作代價。

基因與演化:

大腸桿菌,有四千多個基因。人類則有18000個基因。

基因的突變,是隨機發生的;突變的效果,則取決於該突變如何讓生物在特定的一組生活條件下,興盛茁壯。我們可以說,演化純由機率決定。在正常狀況下,天擇看好低突變率,因為大多數突變是有害的。而大腸桿菌在面對環境危機時,其突變率會增加上百、上千倍,這就是「超量突變」,此種策略可以增加生物碰上解決危機方法的機率。p128,p175

基因橫向傳遞:基因可以經由許多管道,例如質體、噬菌體,在同種或是跨物種的細菌間傳遞。

開放式演化(open-source evolution):基因除垂直傳遞以及天擇以外;也會藉由基因橫向傳遞的方式,產生新組合,再藉由天擇的微調使新組合運作良好,這使得一種細菌的基因組,可以得到進一步的改進與強化。

大腸桿菌的基因組,與其說是操作手冊,還不如說是一本可重複書寫的羊皮紙書。大腸桿菌的基因史中充滿著突變、複製、刪除以及插入;那些更古老的基因組中,仍然存在於大腸桿菌的基因組中,就像可重複書寫的羊皮紙書。

對大腸桿菌來說是正確的發現,對大象也一樣(Jacques Monod’s well-known phrase, dating from 1954: ”Anything found to be true of E. coli must also be true of elephants.”)。因為,我們與大腸桿菌共享同一種基因編碼及許多蛋白質。但大象(包括人)和大腸桿菌之間,仍然有某些根本的不同點。我們不會橫向傳遞基因,但大腸桿菌會;我們身上只有一小部分細胞(精子與卵)能將基因成功傳給下一代,與大腸桿菌以分裂方式繁殖,不同;我們的基因組可以讓我們發育並分化成兩百種形式的細胞及數十個器官的個體,但大腸桿菌不會。

基因工程:

基因工程,是將基因插入某物種的基因組。從1970年代起,科學家將基因工程的技術運用在大腸桿菌(尤其是製造胰島素給糖尿病人使用)。雖然當時有人認為將大腸桿細菌改造會產生危險菌種使其生物散布到各地,而引起對環境、人及其他生物的災難。但這樣的災難,並沒有出現。因為科學家是在精心控制的實驗室環境下,改造大腸桿菌,並使其興盛繁殖。這些大腸桿菌在與其他自然界的細菌競爭時,就不是對手。反而是在有天擇驅動的生態系統下所演化出來O157:H7大腸桿菌,變成公共衛生的嚴重威脅。

如今,科學家已經能將基因插入大腸桿菌以外的許多其他生物,例如基因改造作物、基因改造幹細胞等。科學家進一步發展出合成生物學,這是新式的基因工程,是將來自不同物種的基因連在一起,並加以微調,可讓其執行新功能,甚至重新組合出新生命。1970年代由基因工程改造的大腸桿菌所引發的爭議,與現在生物科技議題,有相當大的相似性。

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