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土壤中的奇葩,擁有抗冰和抓冰能力的細菌勇者

陳俊堯
・2008/01/02 ・1423字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

 

圖片來源:WarzauWynn@flickr

 / 羅浩展

在北美,有些區域是山跟海的交界帶,而存在於這交界帶的土壤,除了要忍受平時冷到會結冰的氣溫之外,還要提防著乾燥溫暖的焚風(Foehn wind)。面對這樣溫度不定的環境,土壤中竟然有細菌存活了下來。到底這些細菌有著什麼樣的超能力去抵抗這樣惡劣的環境呢它們用了什麼樣的方法使它們得以存活下來呢接下來,就讓這篇論文帶你一探究竟。

在此篇論文裡,利用了循環性的瞬間結凍和解凍,瞬間模擬了這樣溫度不定的環境。將土壤拿來放在這樣條件底下進行處理後發現,竟有細菌存活下來。將這些細菌拿去進行16S 核糖體 RNA定序分析,序列放大出來發現有五種不同的菌屬。其中有一種是Chryseobacterium sp.strain C14,它們會合成一種特殊的抗凍蛋白 ,這種蛋白質可以鎮壓冰結晶的溫度,抑制冰的再結晶,還可以藉由修飾細胞膜上脂質來維持自己細胞膜的流動性,進而保護自己不受冰的凍傷。再來有一種菌類Pseudomonas,它們除了擁有抵禦冰的傷害的能力之外,還擁有了非常特別的能力。這個能力就是「抓冰」!

抓冰到底它們是如何抓冰的呢Chryseobacterium不一樣的是,Pseudomonas這類菌還會另外合成一種冰核蛋白(ice nucleation protein),而這些蛋白質會聚集在細胞膜之外,然後這些蛋白質就會以自己當作冰結晶的模板,來讓冰晶有吸附的停泊地而幫助冰晶的形成

沒想到吧,細菌竟然能抓冰,想想看,如果能好好利用這些細菌抓冰的能力,說不定以後就不用慢慢地雕刻冰雕了。生物學家可以將這些細菌大量培養,然後將它們分佈到冰中的某些特定位置,理想狀況下這些細菌就會幫助冰雕模型的形成呢。更瘋狂的作法是,假如真得以培養超大量的抓冰細菌,對逐漸融化的冰山來說,就是一個福音。生物學家可以利用這些菌來抓住冰,或許就能延緩冰山的融化,讓大地的危機解除也說不定。 

作者羅浩展生科系95

名詞解釋:

  • Foehn wind:北美地區的焚風。原因是當濕潤空氣受到山的阻擋而爬升,越爬升空氣越冷卻,造成水氣凝結降雨在迎風面。然後當其空氣越過山嶺後,因下降而形成乾燥空氣,而且因為下降時受到壓力壓縮而使溫度增加,就形成了熱而乾燥的焚風。
  • AFPs(antifreeze proteins):這種蛋白質會破壞冰晶晶格的形成進而抑制冰的成長與再結晶。
  • Ice nucleation protein:一種蛋白質可以當作冰晶結晶的吸附模板來促進冰的成長。
  • 16S ribosomal RNA gene定序:因為不同細菌帶有不同的16S ribosomal RNA gene,所以利用這種方式可分辨所獲得的細菌是哪一種菌。

研究原文

參考資料 

原刊載於 30.6kj

文章難易度
陳俊堯
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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。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》