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用病毒治療青春痘

科學月刊_96
・2013/06/24 ・1636字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

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痤瘡是人體皮膚發炎產生的刺狀丘疹。痤瘡丙酸桿菌分解皮脂腺分泌物所產生的物質,是 引起發炎反應的原因之一。

文 / 許家偉(業餘科普撰稿人)

痤瘡丙酸桿菌(Propionibacterium acnes)是一種厭氧(或只需微氧)的格蘭氏陽性共生細菌,存在於毛孔之中,它就是引起痤瘡粉剌(acne,即俗稱的青春痘)的主要元凶。青春痘患者皮膚中,皮脂毛囊(sebaceous follicles)裡的P. acnes 比同年齡正常健康皮膚上的P. acnes 高出100 倍。

但臨床發現,有六成的P. acnes 已經具有抗藥性,即是說就算病患塗抹含抗生素的藥物於患處已無療效;再加上近年來沒有研發出新型的抗生素,為了對付P. acnes ,科學家勢必得找出其他的途徑。於是,他們將腦筋動到噬菌體(bacteriophages 或phages)上。噬菌體是只會感染細菌的病毒,因此,利用噬菌體來感染並殺死細菌的方法就稱為「噬菌體治療法」(phage therapy)。

噬菌體治療法的好處是,噬菌體對細菌有極高的專一性,它不會「誤殺」其它細胞,因此對人體無害,安全性極佳;另外,在動物試驗上已證實特定的噬菌體能專一地消滅痢疾志賀氏菌(Shigella dysenteriae )、大腸桿菌(Escherichia coli) 及金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus);而美國食品及藥物管理局(FDA) 在 2006 年已批准 使用Intralytix 公司的 LMP-102 型噬菌體處理生肉, 用以防止李斯特桿菌(Listeria monocytogenes)所造成能奪命的食物汙染。

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位在美國西岸的加州大學洛杉磯分校(UCLA) 醫學院的研究人員,分別從 UCLA 醫院的青春痘患者及健康人士皮膚上皮脂毛囊裡的細微粉剌(microcomedones) 中分離出能感染P. acnes 的噬菌體。當中 5 株是從健康皮膚取得(採樣年份:2010 年),4 株從青春痘患者皮膚上取得(採樣年份分別在 2007、2008、2010年),另 2 株從培養庫存裡解凍(1978 年,位在美國東岸的費城)。

用電子顯微鏡觀察這11 株的噬菌體外型,除了清楚看見等邊六角形的頭部及細長又柔軟的尾部外,這些噬菌體的大小都一致。再加上另外 1 株之前在英國列斯大學(Leeds University)附設的里茲綜合醫院(Leeds General Infirmacy)及 2 株從瑞典隆德大學(Lund University)分離出的P. acnes 噬菌體,合共 14 株P. acnes 噬菌體的 DNA 都定序完成。

電子顯微鏡所觀察到的P. acnes 噬菌體影像。

研究人員發現,這 14 株P. acnes 噬菌體的 DNA 序列差異性比想像中的低很多。例如,14 株P. acnes 噬菌體 DNA 上的GC 含量(GC content)〔註〕都非常的接近,差異範圍不到0.5%。究竟一般噬菌體DNA 在不同株種之間的差異是多大?研究人員用總數超過200 株能感染垢分枝桿菌(Mycobacterium smegmatis)、超過60 株能感染葡萄球菌(Staphylococcus sp.)及超過50株能感染假單胞菌(Pseudomonas sp. )的噬菌體 DNA 作對照,它們的GC 含量差異都在18 ~ 28%不等。由此可見,P. acnes 噬菌體的DNA 序列差異性的確是異常的低。而且,無論從核苷酸序列相似性配對分析或基因組的組織(即基因排列次序及轉錄方向),這些結果都指出P. acnes 噬菌體的確缺乏多樣性。

註: 即 DNA 上鹼基 G(guanine)及 C (cytosine)的量對A (adenine)及 T (thymine)的量之比例(以百分比表示)。

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除了在DNA 層次, 各株P. acnes 噬菌體的蛋白質也都很一致,例如噬菌體在裂解週期(lytic cycle) 時要溶解細菌外層細胞壁時所用之內溶素(endolysin)的胺基酸序列相似度都非常高。所以,在親源分析的演化樹裡,這14 株 P. acnes 噬菌體都群集(cluster)在一起,編定為同一個結點(node),代表它們的相似度極高(反過來說就是差異度極少)。

更重要的,雖然所觀察到P. acnes 噬菌體的差異性非常低,但已收採的11 株P. acnes噬菌體都可以感染 27 株不同的P. acnes 細菌( 當中有 2 株P.acnes 細菌比較難搞,只會被 11株裡的 1 株P. acnes 噬菌體成功感染),意味著這批P. acnes 噬菌體都有一致的目標,不會干擾其它細菌品種的生態。

綜合這項研究結果,針對這批跨越30 個年頭( 採樣時間從1978 ~ 2010 年) 及兩大洲(北美東西岸及歐洲)的P. acnes 噬菌體品種,研究人員已確定它們的差異性低又沒有發展出多樣性,也證實它們能廣泛地感染多種P. acnes 細菌,噬菌體DNA 非常穩定又不會嵌入細菌的DNA,這些都顯示它們適合用來開發以噬菌體為基礎的抗青春痘療法(phage-based anti-acne therapy)。

參考資料:Marinelli, L. J. et al., Propionibacterium acnes bacteriophages display limited genetic diversity and broad killing activity against bacterial skin isolates, 美國微生物學會(ASM) 電子期刊 mBio , Vol. 3(5): e00279-12, 2012.

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原刊載於 科學月刊 第四十四卷第六期

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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蓋房子高手?建築業的未來新星:科氏芽孢桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/12 ・1528字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • Bacillus cohnii   
  • 科氏芽孢桿菌
  • 形狀:圓
  • 直徑:0.6 至 0.7 微米
  • 前進:使用布滿細胞表面的鞭毛
科氏芽孢桿菌。圖/《細菌群像》。

會產生石灰的細菌

細菌不僅可以用於生產食物或提煉金屬,還可以用來建造橋樑和房屋。

例如科氏芽孢桿菌,這是一種一點都不起眼,但會產生石灰的細菌。它喜歡鹼性的生活環境,像是酸鹼值可達八的馬糞裡。但它也生活在鹼性更強的環境,全世界都有其蹤跡,甚至在歐洲、非洲、南美、土耳其的鹼湖裡,它會利用溶在湖裡的碳酸鹽產生石灰。

此細菌最初是在一九九○年代初期,德國微生物及細胞培養保藏中心的細菌學家在尋找偏好鹼性環境的新菌種時所發現,當時的土壤樣本來自一個鹼性土壤的牧場,裡面還殘留著馬糞。

科氏芽孢桿菌除了能夠忍受酸鹼值超過十二的強鹼,相當於氣味刺鼻的氨水的酸鹼值,還能形成孢子渡過長時間的乾旱期。細菌孢子的特性是具有極強的抵抗力,可以存活數十年或數百年,在特定的條件下甚至超過數百萬年(球形離胺酸芽孢桿菌(→ 78頁)還有發芽的能力。

科氏芽孢桿菌的名字源自於德國細菌學家費迪南.尤利烏斯.科恩(Ferdinand Julius Cohn),細菌學的奠基者,也是一八七二年第一個鑑識出芽孢桿菌屬這種小桿形細菌的學者。

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研發能「自行修復」的混凝土

科氏芽孢桿菌能生活在鹼性環境中,能產生石灰,孢子經過長時間還具有發芽能力。結合這三種特性,令建築業對之產生興趣。一位荷蘭微生物學家專門研究會產生石灰的細菌,並嘗試研發出一種能自行修復的混凝土。

科學家試圖利用科氏芽孢桿菌研發出能自行修復的混凝土。圖/envatoelements

他的做法是將細菌孢子與銨鹽、磷酸鹽及養分混合在一起,封裝於黏土球裡,然後將這粒只有幾公厘大小的顆粒加入強鹼性的混凝土中。混凝土硬化後若一直保持緊密,便無事發生。但如果出現裂縫,開始長時間滲水,細菌孢子就會開始萌發。當細菌繁殖分裂,會消耗添加進去的物質,並不斷產生碳酸鈣填補裂縫。一道幾公釐寬的裂縫,只需數天時間即可修補完畢。

如此一來,科氏芽孢桿菌就可以解決混凝土結構出現裂縫的難題,否則定期必須進行的繁複維修,造成的損失可高達數十億歐元。除此之外,此細菌也能用在保護現存的建築物,在噴塗混凝土或修復液中皆已測試添加此細菌,用在已出現細微裂縫的建築構件上。

不過,此項產品至今尚未成熟,黏土顆粒仍然占據太多空間,進而影響混凝土的穩定性。還有載體材質、養分及混凝土之間的交互作用,以及孢子平均分布與釋放,與石灰形成的速度及過程等等,都還在改良中。如今,研究人員也測試其他能形成石灰的細菌是否適用。不過無論如何,科氏芽孢桿菌可說是混凝土生物修復劑的先鋒。

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科氏芽孢桿菌這類會產生石灰的細菌,現在也運用在其他目的上。一家德國公司利用它來黏走採礦產生的灰塵。方法是將細菌加入培養液裡,灑在布滿灰塵的泥土上,六至四十八小時內就會產生石灰,將灰塵顆粒黏在一起形成砂岩,即固化灰塵。從前為了抑制灰塵,礦業公司必須使用大量的水,如今,藉由細菌的幫忙,就可以省下這些水了。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。

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高效率生存!生物界的空間利用大師:遍在遠洋桿菌——《細菌群像》
麥田出版_96
・2023/03/11 ・1874字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • Candidatus Pelagibacter ubique 
  • 遍在遠洋桿菌
  • 外觀:通常如月牙般略彎之小桿 
  • 長:0.37 至 0.89 微米 寬: 0.12 微米至 0.20 微米
遍在遠洋桿菌。圖/《細菌群像》。

高效率利用生存空間

假使將我們肚裡大腸桿菌的體型比作兔子,遍在遠洋桿菌的體型就如同小老鼠。這種無所不在的海洋細菌不只是能獨立生存的細菌中體積最小的[1],可能也是全世界最有效率也最成功的生物。每公升的海水裡,就有數以百萬計這種細菌,據推測,遠洋桿菌屬的總菌量在地球上高達 1027 至 1028,這個數目是宇宙中目前可觀測到之恆星數量的十萬至一百萬倍。

但這種細菌所創下的紀錄不只這項: 海水所含養分非常貧乏,微生物要生存,就必須主動將所需養分分子輸送進細胞內部。這會消耗能量,最後也一定會有所剩餘。遍在遠洋桿菌則生活在極限邊緣:擁有正好足夠其吸收養分及生長繁殖所需的能量,剛剛好,不多也不少。

遍在遠洋桿菌可說是生物界的空間利用大師,其用來維持新陳代謝和繁殖的胞內空間,少到令人難以想像。細胞內三分之二的空間用於新陳代謝,剩下的三分之一被遺傳物質占滿。在小小的空間裡備有感應系統,能偵測含碳、氫、鐵化合物及光線的位置,擁有必要的運輸系統,以及一切所需的酵素,能自行生產二十種維持生命不可或缺的胺基酸。

體積若是再小,就只能放棄全部或部分的新陳代謝。例如,更小的病毒基本上就是壓縮緊密的基因,會侵入其他生物的細胞中,將別人的新陳代謝系統據為己用。

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如果養分充足,細胞內無須再具備持家基因,生活在這種環境的細菌或古菌的確可以小過遍在遠洋桿菌。例如生殖道黴漿菌(Mycoplasma genitalium),這是一種對人類致病的病原體,會在尿道、子宮等黏膜造成感染,體積僅有三百乘以六百奈米左右,但無法獨立生存[2]。二○一五年有學者聲稱在地下水裡發現更小的細菌,但直至今日為止尚未能成功培養,因此學界相當懷疑是否真實存在。

精簡而高效的演化結果

此外,遍在遠洋桿菌的維生機制,效率也出奇地高。它只有一百三十萬組鹼基對,共含約一千四百個基因,是至今已知可獨立生存的物種中最少的。沒有任何多餘的東西,只有必要的配置。甚至連遺傳密碼,也似乎為了減少能量消耗而有過最佳化的調整。

一如其他生物,遠洋桿菌的遺傳密碼由四種鹼基 A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)、T(胸腺嘧啶)所組成。但比起其他細菌,遠洋桿菌裡 A 與 T 出現較為頻繁,此點便是出於效能,因為 C 與 G 含有較多的氮(而這在海水中是稀有元素),製造起來較為困難,如同人們以盡可能節省墨水的方式寫作一樣。

遍在遠洋桿菌在其所屬的立克次體目裡,算是特異獨行的一支。因為除了它之外,所有立克次體目的細菌,都必須在其他生物細胞內才能存活,其中也有不少病原菌,例如普氏立克次體菌,流行性斑疹傷寒的病原菌,透過蝨子傳染。

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生物學家研究遍在遠洋桿菌並不只因為其驚人的能源效能和基因體的構造,對生態而言,它也相當重要。因為所有遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多,且占有海洋細菌生物量的四分之一;在溫暖的夏季,甚至可能高達二分之一。由於它的主要食物來自死亡生物殘留下來的可溶性有機物,因此在地球的碳循環上,也扮演一個重要的角色。

遍在遠洋桿菌加起來的重量,比全球海洋魚類總重量還要多。圖/envatoelements。

由於數量實在太龐大,因此也容易引起敵人的覬覦:至今已知有數種病毒,會侵占並消滅此種細菌。

遲至二○○二年,人們才知道遍在遠洋桿菌的存在。在那之前,人們只認得它的 rRNA(核糖體核糖核酸)序列,是一九九○年研究人員在北大西洋馬尾藻海的海水樣本裡所發現。這也是首批運用當時最新的序列鑑定方法檢測到的細菌之一,但當時無法成功地培養出來。最後研究人員用了養分很低的培養基,以及高度稀釋的樣本,並添加一種能附著在核糖體上的染劑用以判別才成功。

註解

  • [1] 審定注:一些寄生型細菌和古菌更小。
  • [2] 審定注:該菌倚賴人類細胞裡的現成養分存活。

——本文摘自《細菌群像:50種微小又頑強,帶領人類探索生命奧祕,推動科學前進的迷人生物》,2023 年 3 月,麥田出版,未經同意請勿轉載。

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