好細菌能讓我們的身體發揮重要的功能，但壞細菌卻會溜進我們體內，害我們生病！該怎麼趕跑討厭的壞細菌呢？

這些就是細菌
These are bacteria.

肉眼看不見的細菌，可是五花八門。

細菌是很小很小的生物。
Bacteria are very small living things.

細菌比我們的細胞還要小，但別小看了這群生物。

你的身體裡面跟外面，都有很多細菌，這一大群細菌就叫做微生物相。
Your body has lots of bacteria both inside and outside. This is called your microbiome.

身體若要維持健康，缺不了一群好細菌。

抗生素只對細菌有用，卻對病毒或真菌沒有效，所以沒辦法讓病毒引起的感冒好起來。
Antibiotics only work on bacteria, not viruses or fungi, so they won’t help you get over a cold (which is a virus).

細菌、病毒、真菌可是不一樣的病原體喔。

很多抗生素都會黏住細菌體內稱為蛋白質的特殊小工人。
Many antibiotics stick to special workers in the bacteria, called proteins.
在抗生素的作用下，蛋白質就沒辦法做它們的工作了，例如蓋細胞壁或是閱讀指令。
With the antibiotic in the way, the protein can’t do its job, like building a wall or reading instructions

抗生素的作用機制各異，像是阻止蛋白質工作。

——本文摘自《寶寶醫學院：中英雙語繪本系列套書》（細菌與抗生素），2022 年4月，台灣愛思唯爾出版。

由霍亂弧菌（Vibrio cholerae）引發的霍亂，是常見的人類傳染病。有意思的是，霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌，本身也會被病毒等異形入侵，有免疫的需求。

在最近發表的論文中，霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法，不但能抵抗病毒，還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運？質體又是什麼呢？^{[參考資料 1, 2]}

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥：細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣，都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外，細菌也常常配備額外的「質體（plasmid）」，它們是 DNA 圍成的圈圈，獨立於細菌的染色體之外，具有自己的遺傳訊息，會自己複製。

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲，那麼對細菌來說，質體就是個占空間的東西，只會耗費宿主的資源，對細菌是最差的狀況。但是，質體上也有基因，如果那些基因具備抗藥性等作用，那質體便對細菌有利。換句話說，質體和細菌的關係並不一定，有可能是有利、有害，或是沒有利也沒有害，視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力，例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR，原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是，許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組，本身就位於質體上頭，令人懷疑其動機不單純。

比方說，A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR，那麼 A 質體的目的，到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵，或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢？不好說，不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR，還有一招是利用「Argonaute」蛋白質，啟動針對質體的排外機制；有時候兩者兼備，就是不給質體活路。^{[參考資料 3]}

了解上述資訊，便能體會霍亂新研究的奧妙：質體無法生存的霍亂弧菌，既沒有 CRISPR，亦沒有 Argonaute，卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中，霍亂就是一款危害人類的傳染病，不過野生的霍亂弧菌有很多品系，除了 O1 和 O139 兩個亞型之外，大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行，目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor，也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系，細菌中一般都帶著質體，可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內，一開始倒是沒什麼阻礙，可是複製繁殖十代以後的細菌，卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設，霍亂第七次大流行的主角，可能比同類們多出些什麼，讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute，應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後，從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域，稱它們為 DdmABC 和 DdmDE（Ddm 為 DNA-defence module 縮寫），兩者各自都有排擠新質體的能力，一起合作效果更好。

兩套手法獨立運作，就是不要讓質體留下！

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體，但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊，令質體無法繼續在細菌體內生存，尤其容易攻擊比較小的質體；這個攻擊過程中，應該有其他蛋白質參與，不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE，其基因周圍還有兩套免疫系統的基因：R/M 與 Zorya，它們的任務都是消滅入侵的噬菌體（感染細菌的病毒）。因此霍亂的染色體上，這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地，稱為防禦島（defence island）。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法，霍亂如果攜帶質體，不論質體自身大小，DdmABC 都會產生毒性；這使得質體數目較少的細菌，繁殖時產生競爭優勢，多代以後脫穎而出的霍亂，將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是，霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體，也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統，同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢？在資料庫中比對 DNA 序列，ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因，所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因，所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意；幾個新基因組合形成新功能，或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出，成為第七次大流行的主角。總之，它們都通過長期天擇競爭的考驗，贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利，若是通通不要，等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂，為什麼演化成這般樣貌，值得持續探索。

戒備森嚴，多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到，細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物，也配備多重免疫系統，抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說，它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制，以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法，能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌，又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統，精準識別目標並且攻擊，類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質，使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫，無差別切割入侵者的 R/M 系統，其各種限制酶（restriction enzyme），早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具，可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統，除了增加學術知識，也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥，不只能認識更多免疫與演化，也可能找到對付細菌的新招，還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

• 現代流行病學之父──約翰・斯諾誕辰│科學史上的今天：3/15
• 鼠疫桿菌至少 3800 年前，成為跳蚤騎士
• 推理要在實驗室：為什麼有些細菌會致病、有些不會呢？
• 當科技發展跑在世界前面，科學家該做什麼？基因編輯技術 CRISPR 共同發明人——珍妮佛．道納專訪
• 【2020 諾貝爾化學獎】基因剪刀 CRISPR：它如何改寫人類的生命密碼？

參考資料

1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

吸菸對健康的危害眾所皆知，許多吸菸者為了身體健康而嘗試戒菸，但戒菸過程卻遇到體重發胖的難題，導致許多吸菸者難以成功戒菸。長久以來，科學家們試圖了解戒菸導致體重發胖的生理機制。

過往研究發現吸菸會讓人沒有食慾，是因尼古丁作用在位在下視丘的尼古丁乙醯膽鹼的受器，改變人類體內能量供需的平衡。一直以來，科學家相信戒菸後體重增加，是因為戒菸後，體內少了尼古丁抑制食慾。

然而，來自以色列魏茲曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）的 Leviel Fluhr 卻有不一樣的看法^[2]，他認為抽菸可能也會改變「腸道內的微生物群系」，並且試圖從其差異找到戒菸與體重變化的關係。

腸道內的微生物群系

腸道內微生物群系（microbiome）由上兆的微生物組成，包括病毒、細菌、真菌。這些腸道內的小小居民們其實對主人的健康有很深刻的影響。有許多疾病都被證實和腸道內微生物群系有關，包括自體免疫疾病、過敏、癌症等等^[1]。這些微生物也會影響食物以及藥物在腸道的吸收。

「You are what you eat.」所代表的意義，可能超越字面上的翻譯。我們每天攝取的食物、添加物、環境荷爾蒙，都會改變腸道內的微生物群系。而 Fluhr 正是由這個角度，來探討戒菸之後體重的變化趨勢。

戒菸變胖，不單只是缺少尼古丁而已

在 Fluhr 的第一個實驗中，他們將老鼠分成四組，分別是不暴露菸害、暴露菸害、接受抗生素但不暴露菸害、接受抗生素且暴露菸害。

暴露菸害是模擬人類的抽菸行為，不暴露菸害當然就是模擬從未抽菸的人。其中兩組老鼠還有在實驗介入前使用抗生素，使用抗生素是為了控制老鼠腸道內的微生物群系，更精確地來說，是剔除微生物群系中的「細菌」，以此作為對照組，證明「戒菸後體重增加不單是尼古丁消失」造成的。

最終實驗發現，比起沒有使用抗生素的老鼠，在接受菸害前使用過抗生素的老鼠，暴露後戒斷時期體重增加的趨勢相對比較低，而且差異非常顯著。換句話說，在正常狀況下（也就是沒有接觸抗生素，腸內有菌的狀況下），戒菸後的體重增加與腸道內微生物群系有關。

移植「暴露菸害的微生物群系」，有同樣效果

在第一個實驗確認了戒菸後體重增加並非只是缺少尼古丁，腸道內微生物群系也可能影響體重後，Fluhr 的第二個實驗就決定來測試看看，這些微生物群系的影響有多大：他把先前實驗老鼠的腸道微生物群系（也就是糞便）移植到原本無菌的老鼠體中。

一組是移植「有暴露過菸害的老鼠腸道內微生物群系」，另一組則移植「未暴露過菸害的老鼠腸道內微生物群系」。移植了先前接觸過菸害的老鼠的腸道菌叢後，被移植的老鼠體重增加的幅度，大於移植了未暴露過菸害的老鼠的腸道菌叢。

• 延伸閱讀：擁有「長不胖」的腸道菌相，跟基因缺失有關！？
• 延伸閱讀：要解決肥胖，先了解你的微生物朋友吃什麼──《微生物的巨大衝擊》

微生物菌叢的代謝差異，是戒菸者變胖的主因

上述的實驗結果表明了尼古丁在下視丘的抑制食慾訊號，並不是戒菸後體重增加的唯一解釋，腸道微生物群系的差異也是原因之一。

Fluhr 為實驗結果提供了新的說法。暴露過菸害的微生物菌叢產生了許多不同的代謝產物，部分的代謝產物能幫助個體由攝取的食物中提煉出更多可利用能量。

其中，一種名叫二甲基甘氨酸（Dimethylglycine）的分子，就是這些代謝產物的一員。二甲基甘氨酸是甘氨酸（Glycine）的衍生物。食物中的蛋白質在腸道消化後，分解成各式多肽，進一步再被分解成胺基酸，而甘氨酸就是其中一種胺基酸。菸害會讓腸道內促進二甲基甘氨酸生成的酶增加，令二甲基甘氨酸變多。

實驗發現，暴露了菸害的老鼠，血清中的二甲基甘氨酸含量比較高。給了二甲基甘氨酸添加劑的老鼠，不論有沒有經過抗生素處理，體重都會增加比較多。相反來說，如果剔除了老鼠們的食物中產生二甲基甘氨酸的前驅物質硫酸膽鹼（choline sulfate），老鼠暴露菸害後的體重增加就沒有那麼顯著。

從腸道微生物組成角度，檢視吸菸對健康的影響

微生物菌叢在暴露過菸害後產生的代謝產物，除了解釋戒菸後體重增加，也可能解釋菸害如何造成其他疾病。

甘氨酸，除了是組成蛋白質的其中一種氨基酸，也是一種組成神經傳導物質的原料。神經傳導物質就是在神經突觸間，接替神經脈衝，傳遞神經訊息的化學物質。當癮君子拿起香菸、將裊裊煙霧吸入肺葉、進入肺泡、擴散入血流，腸道內的菌叢組成就再也不同。而這些腸道內的變化，改變了甘氨酸以及其衍生物的代謝。甘氨酸多才多藝的特性，讓它在腸道內的濃度變化，有如蝴蝶效應般，影響許多不同系統。譬如說，甘氨酸在人體內濃度的多寡，就與糖尿病有關^[4]，甘氨酸的代謝出現異常也會導致神經性疾病^[5]。

儘管有許多動物實驗提供戒菸後體重增加的生理證據，但真正的議題是：如何從動物模型轉到人類臨床現象。目前我們只知道戒菸後體重增加的高危險群是女性、低收入、飲食不良、缺乏運動、重度煙癮者。

逆向思考：運用微生物代謝或可幫助其他疾病

了解菸害的代謝物如何影響戒菸後的體重增加，甚至改變個體的健康後，Fluhr 試著從臨床治療的角度來看這個發現。有沒有可能把老鼠的模型實驗結果帶到臨床醫學，突破醫學瓶頸呢？就戒菸後體重增加的現象來說，只要改變這個微生物叢的變化，這個現象就可能有解！

譬如說，如果做出可以降低甘氨酸前驅物的藥物，或是發明可以降低微生物菌叢產生的代謝物的療法，戒菸後的體重增加可能就不復存在。從另一個角度切入，如果之後的實驗，破解出到底是哪些代謝物質重塑了腸內菌叢，並且由香菸中剔除這些物質，也可能是解法之一。

從另外一個完全相反的思維來看，對於急需增加體重的人，這些代謝物質可能是這群人的神藥。舉例來說，因為被癌症侵襲，而體重直直掉的病人（惡體質），就可能很需要這些代謝物質。

Fluhr 的實驗讓戒菸後體重增加的現象有新的解釋，他把焦點由先前的尼古丁在腦中的作用，轉移到腸內的菌叢組成。不僅如此，他的實驗更開啟了除了體重變化以外，香菸對健康影響的新的討論方向，並且不落窠臼的從臨床角度出發，企盼由老鼠實驗，解答戒菸以及體重變化的難題。

延伸閱讀：菸煙相報何時了？關於香菸、加熱菸和電子煙你該知道的事

參考資料

1. The gut microbiome​​
2. 以色列魏茲曼科學研究所
3. Metabolomics in Prediabetes and Diabetes: A Systematic Review and Meta-analysis
4. Chapter 21 – Disorder: Glycine encephalopathy
5. Gut microbiota modulates weight gain in mice after discontinued smoke exposure