網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

0

0
0

文字

分享

0
0
0

【2013回顧】PNAS 十個細菌小故事(下)

陳俊堯
・2014/02/04 ・3506字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 464 ・五年級

這篇其實有個上集,也是五個過去一年發表的細菌故事。

Western_corn_rootworm
圖片是長大後的玉米根蟲。來自維基百科

肚子裡細菌的魔法

現在的農業大規模種植同一種作物,讓病原們有了個容易大展身手的舞台。輪作有很多已知的好處,其中一項是讓病菌害蟲失去原本的宿主而沒有辦法建立穩定而龐大的族群,用生物性的方法控制了病害的發生。不過為了生存,這些病菌害蟲也會用盡方法要打破人類的限制來求生存。

這個研究的主角是玉米根蟲(Western corn rootworm, Diabrotica virgifera)。它的幼蟲會啃食玉米的根,當然就影響了玉米的生長。在美國大規模推行的玉米和大豆輪作可以抑制病害的大發生,因為黃豆的組織裡有對抗食的秘密武器. 大豆組織裡含有一種蛋白酵素抑制素( cysteine protease inhibitors)可以讓玉米根蟲沒辦法消化吃下去的蛋白質而無法生存。看起來這方法不錯,但是實行一陳子後還是出現了可以生存下來的玉米根蟲

這篇研究想找出是什麼原因讓玉米根蟲也能在靠大豆裡生活。研究團隊先是發現具抗輪作能力的根蟲有特殊的腸道細菌組成,懷疑細菌跟這能力有關。接著他們用抗生素先除掉根蟲腸道裡原有的細菌,再把它們放在大豆葉子上。結果發現具抗輪作能力的根蟲在少了腸道菌的幫助後,變得無法對抗大豆葉子帶來的毒性。原來生物可以利用腸子裡細菌朋友的幫忙,來找出活下去的新契機,而不一定要慢慢痛苦地等突變了。

研究原文

Chu CC, Spencer JL, Curzi MJ, Zavala JA, Seufferheld MJ. Gut bacteria facilitate adaptation to crop rotation in the western corn rootworm. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jul 16;110(29):11917-22. doi: 10.1073/pnas.1301886110.

 

teeth
圖來自 Humphrey et al. 原研究.

飽暖生蛀牙

蛀牙跟食物有很大的關係。在人類文明裡一直到開始農耕生活,有了充足的富含碳水化合物的食物,才讓口腔裡的細菌有機會使用這些化合物發酵產酸,進而引起蛀牙。哺乳類以吃東西能力好打天下,牙齒隨年紀逐漸磨損,不少哺乳類壽命上限都跟沒有堪用的牙齒有很大的關係。如果針對引起蛀牙的細菌 Streptococcus mutans 的 DNA 序列進行分析,也可以看到它們族群大擴張的黃金時期剛好就在人類進入農耕生活之後。

故事轉到摩洛哥境內的 Grotte des Pigeons 遺址。這個地區在 1995 被聯合國教科文組織(UNESCO)指定為世界遺產,埋藏著過去近兩萬年來的人類歷史。從找到的很多人類遺骸裡可以看出在當時成人的蛀牙狀況非常嚴重,可以高到51.2%,跟現代人有一樣的問題了。奇怪的是,在這時期的人類還以在原野裡採集食物為生,沒有農耕技術。難道過去認定的蛀牙與農耕間的關係是錯的嗎?

研究人員同時也發現當地一萬五千年前的植物化石,證實在當地有不少可食植物,提供包括橡實及松子等高品質食物。雖然當時的人們還是以採集為生,但是食物供應充足,導致牙齒壞光光。過年期間大家也會過著食物充足的日子,請把這篇研究的教訓謹記在心,記得刷牙,不要留給細菌太多好處。

研究原文

Humphrey LT, De Groote I, Morales J, Barton N, Collcutt S, Bronk Ramsey C, Bouzouggar A. Earliest evidence for caries and exploitation of starchy plant foods in Pleistocene hunter-gatherers from Morocco. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014 Jan 21;111(3):954-9. doi: 10.1073/pnas.1318176111

 

800px-Colorado_potato_beetle
圖片是長大後的科羅拉多金花蟲。來自維基百科

聲東擊西的金花蟲

植物其實也有免疫系統可以攻擊外來的病原。當植物被咬了一口,組織裡的茉莉酸(jasmonic acid)會上升,啟動植物的免疫系統進行防衛,就像動物受傷了會腫會發炎一樣。一旦免疫系統啟動了,這些啃植物的蟲兒就慘了。

為了要能持續保有好吃的食物,這些蟲兒必須有更厲害的步數。這篇研究發現科羅拉多金花蟲(Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata)的幼蟲可以分泌某種東西抑制茉莉酸的出現,以及植物免疫系統的啟動。進一步檢驗後他們發現這種神奇物質可能是分泌物裡的細菌。幼蟲在經過抗生素處理後失去這項能力,追加細菌後又重獲這能力。他們逐一測試分離出來的細菌,發現屬於 StenotrophomonasPseudomonas, Enterobacter 三個屬的細菌真的可以抑制植物植物免疫系統的啟動。細菌到底有什麼魔力可以關掉植物的防守?其實應該這樣說,植物在碰到蟲咬時會啟動茉莉酸為首的防衛機制,碰到微生物進攻時則改用水楊酸(salicyclic acid)開頭的機制應戰。科羅拉多金花蟲很巧妙利用細菌騙過植物,讓植物進入對付微生物攻擊的模式,植物的免疫攻擊就對它不管用囉。

研究原文

Chung SH, Rosa C, Scully ED, Peiffer M, Tooker JF, Hoover K, Luthe DS, Felton GW. Herbivore exploits orally secreted bacteria to suppress plant defenses. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Sep 24;110(39):15728-33. doi: 10.1073/pnas.1308867110.

 

slime

小改變,好友變晚餐!

過年是靜下來回顧這一年來得失的日子。有的人前一秒是友,下一秒成敵,有時這關鍵只因一個小小的轉換,利益總是最大考量。自然界裡原本緊密的共生關係也有這樣因為小事而大翻盤的例子,例如會種細菌來吃的黏菌。

養細菌的變形蟲是怎麼回事?這裡的主角 Dictyostelium discoideum 是一種黏菌(slime mold),它是單細胞的真核生物,平常以變形蟲的長相在環境中生活。當環境變差的時候會展現出它們的社會行為,大家聚在一起變成一個大群體,決定分工,長出子實體(fruiting body)產生孢子來延續族群的生命。過去有一篇在 2011 年的研究指出這種黏菌會在孢子上攜帶自己愛吃的細菌,走到哪種到哪,食物不缺乏,可以被當做是在演化上最早出現的農夫了。

在今天談的這篇研究裡,研究人員從這些黏菌上分離出兩株螢光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens) 菌株。雖然都是同一種細菌,但是特性不一樣,就像你能區分台灣人跟白種人間有差別。這兩株細菌的命運大不相同,一個是食物,另一個則是黏菌的好伙伴,能分泌毒素對抗真菌(這毒素叫 pyrrolnitrin),以及分泌一種能促進黏菌產生更多孢子的 chromene 類分子。研究人員很好奇,為什麼它們明明是同一種細菌卻可以出現這麼大的特性差異,導致它們由朋友身份變成食物,於是對它們做了基因體定序,來解讀所有的 DNA 密碼。比對兩株菌的 DNA 後他們很驚訝地發現這一切的改變都源自一個 gacA 基因上的點突變。這個突變導致 gacA 失效,連帶著所有受這個蛋白質調控的基因全部停擺,於是這隻細菌對黏菌不再能提供保護,就被打入食物界當養份了。這個故事告訴我們,新的一年還是要認命地被利用才不會被吃掉(咦?)。

研究原文

Stallforth P, Brock DA, Cantley AM, Tian X, Queller DC, Strassmann JE, Clardy J. A bacterial symbiont is converted from an inedible producer of beneficial molecules into food by a single mutation in the gacA gene. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Sep 3;110(36):14528-33. doi: 10.1073/pnas.1308199110.

 

NASA 的 DC-8 空中實驗室
NASA 的 DC-8 空中實驗室

在高空中旅行的細菌

搭飛機時你一定有這個經驗:飛機起飛後加足馬力往上衝,先要奮力衝過上下晃動的雲層,才進入舒適平穩的高空,接著期待的餐點才會出現。那段上下晃動的地方就是對流層(troposphere),所有的雲啊霧啊都在那混亂的一層,地面上感受到的晴雨也都看這層的狀況決定。細菌跟這些雲霧也能扯上關係,為什麼?在這樣高度,氣温低,也沒什麼養份,過去不認為這裡會有多少活著的微生物的。 不過這些年的研究發現大氣裡的細菌可能有機會影響天氣,因為連在數千公尺的高空,細菌都被證實可以幫助冰晶形成,幫助凝結水滴來形成雲。

這群研究人員為了研究這些離地面幾公里遠的細菌,跟美國航空與太空總署(NASA)借了架 DC-8 四引擎研究機(這機型是可以載兩百人的大飛機啊),在美國本土,加勒比海和大西洋上空採樣。他們的目標是對流層中上層,分別在颱風前後進行採樣,希望知道颱風對空氣裡微生物組成的影響。研究結果發現空氣裡有相當多的細菌,估計每立方公尺約有 15 萬隻,而且樣本裡的細菌 60%-100% 是活著的。細菌大小約在 0.25-1.00 um左右,佔空氣中這種大小顆粒數的 20%。這些搭順風車的細菌來自何方?經過 DNA 分析後,發現這些細菌來自各種環境,但主要還是來自海洋,這跟颱風是打海洋端生出來的有關。颱風後細菌的數量增加,而且颱風過後空氣裡開始出現來自人類糞便的菌種,顯然颱風捲起了不少下面人類世界的微生物同行。那有沒有那種細菌是適合做這種長途飛行的呢?他們發現普遍出現在所有樣本裡的細菌種類有限,多半能利用含一個碳或兩個碳的有機物,而這些化合物恰好在雲裡都不少,看來細菌要能吃天上的食物才可能在雲端安居。如果天上有這麼多細菌,那以後學大氣科學的人是不是該修一下微生物學,或者也有機會讓我這細菌人坐飛機上去做做大研究啊?這個拿來當做新年新希望來努力夢好了。

研究原文

DeLeon-Rodriguez N, Lathem TL, Rodriguez-R LM, Barazesh JM, Anderson BE, Beyersdorf AJ, Ziemba LD, Bergin M, Nenes A, Konstantinidis KT. Microbiome of the upper troposphere: species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Feb 12;110(7):2575-80. doi: 10.1073/pnas.1212089110.

文章難易度
陳俊堯
109 篇文章 ・ 10 位粉絲
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。


0

0
0

文字

分享

0
0
0

Omicron 變種病毒從哪來?打疫苗有用嗎?Omicron相關研究彙整

台灣科技媒體中心_96
・2022/01/22 ・2931字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國內境外移入已出現變種病毒 Omicron 案例,引發國人擔憂。至去年 12 月中為止,我們僅略知 Omicron 會造成曾染疫者再次染疫的風險增加,不過,初次感染比率卻下降,而 Omicron 病毒的傳播力尚待研究證實。

另一方面,Omicron 變種病毒從去年底爆發全球疫情至今,大家最關注的就是新冠疫苗的保護力是否會因為 Omicron 病毒而失效。科學家在 2021 年底初步用施打疫苗的血清做測試,發現這些血清對 Omicron 病毒的抗體反應有下降;但台灣科技媒體中心綜整至今(2022)年陸續發布尚未同儕審核的預印本研究,發現人體由疫苗或感染病毒獲得的 T 細胞免疫反應,並沒有因為 Omicron 變種病毒而受到太大的影響,表示人體過去打疫苗或受新冠病毒感染後,仍帶有一定程度的保護力。

人們施打疫苗或受新冠病毒感染後,面對Omicron 仍帶有一定程度的保護力。圖/envato elements

「台灣科技媒體中心」彙整 Omicron 相關科學文獻,提供國人參考,增加對最新變種病毒的認識。

Omicron 從哪來?這次變種有什麼特徵?

Omicron 變種病毒在 2021 年 11 月 26 日,由 WHO 正式命名。科學家觀察 Omicron 的序列時發現,它與之前的變種病毒相較,突變位置的數量最多。造成全球大流行的 Beta 和 Delta 病毒,改變棘蛋白功能的突變分別是 10 個和 9 個,而 Omicron 有 36 個,這是引起科學家們擔憂的最主要原因。

研究發現,Omicron 病毒在南非,「再感染」的風險增加,但這並不能說明是因為 Omicron 病毒的傳播力變強。南非流行病模擬暨分析中心(SACEMA)於 12 月 2 日,發表尚未經同儕審核的研究,根據 11 月 1 日至 27 日間的數據指出,南非當地曾經感染新冠病毒者,又再感染 Omicron 病毒的風險較高。推測應是從自然感染新冠病毒獲得的免疫力,對抗 Omicron 的效果下降。該研究提醒,雖然再感染率上升,初次感染比率卻下降,研究無法回答再感染率增加的原因,也無法說明 Omicron 免疫逃脫的程度。

南非國家傳染病研究所(NICD)病毒學家潘妮.摩爾(Penny Moore)認為,南非的新冠疫苗覆蓋率較低,再感染率高,所以關鍵在於感染後的症狀與重症程度。雖然目前 Omicron 在南非案例增加快速,但在英國主要流行的變種病毒還是 Delta,因此很難從案例數字看出 Omicron 的傳播狀況。

(示意圖)圖/envato elements

Omicron 會讓疫苗失效嗎?

目前科學家是依據觀察抗體量,來判斷疫苗的作用,而其中的原理,長庚大學臨床醫學研究所教授顧正崙說明:在對抗致病性微生物的戰爭中,後天免疫系統由 B 細胞產生的抗體與 T 細胞的細胞免疫,組成兩個交叉火網。新冠疫苗可以誘發 B 細胞產生抗體,抗體主要中和病毒預防感染。

Omicron 由於在棘蛋白上有高達 30 個以上的突變,由疫苗誘發中和抗體的能力對 Omicron 的結合能力下降,這點也在大量的體外抗體中和實驗中所證實,解釋為什麼接受過疫苗的人仍會被 Omicron 感染;尤其是 AZ 疫苗這種抗體誘發抗體能力較低的疫苗,幾乎沒有辦法有效預防感染。

國立陽明交通大學微生物及免疫研究所退休教授 黃麗華 也說明,相反的,T 細胞辨識的不是棘蛋白結構,而是呈現在細胞表面上的小片段蛋白質(約 10~24 個胺基酸)。棘蛋白中,約估有數十條小片段可被呈現在細胞表面,可被輔助型及殺手型 T 細胞所辨識。

Omicron 病毒在棘蛋白上雖然有 30 多個突變點,但其中可能影響T細胞功能的分別只有 28% (輔助型 T 細胞)及 14% (毒殺型 T 細胞)而已。換言之,絕大部分因疫苗引發的 T 細胞仍可充分辨識被 Omicron 病毒感染的細胞、並且將之清除。T 細胞反應沒有因 Omicron 病毒而受到太大的影響。(但若未來突變持續增加,呈現在細胞表面上的小片段蛋白質受到更多影響時,T 細胞反應有可能也會隨之降低。)

Omicron 的突變能讓抗體結合力下降,但對T細胞的辨識功能影響不大。圖/envato elements

這樣的研究也解釋了為什麼 Omicron 病毒雖然能造成接受疫苗後的人得到突破性感染,造成感染人數大幅上升,但是由於 T 細胞免疫還是能有效對抗感染,比起未接種疫苗者,這些確診者多為輕症或無症狀。

我應該接種第三劑疫苗嗎?第三劑如何挑選?

中興大學獸醫病理生物學研究所所長吳弘毅 指出,Omicron 會快速流行有許多原因,例如南非疫苗覆蓋率低,各國的防疫措施不同也是影響的重要因素。而判斷 Omicron 影響疫苗效果的關鍵在於,疫苗是何時施打的,因為較早施打疫苗者產生的抗體會逐漸下降。國內病毒專家施信如 則表示,台灣現在的相對優勢是,大多數人最近已施打完第二劑,保護力較高。

但兩人皆認為,提高現階段的保護力,國內最早施打疫苗的第一線人員與高齡老人,可加打第三劑作好保護、提升抗體濃度。另外,較早施打 AZ 疫苗的人,也需要盡快打第三劑。

在第三劑挑選上,施信如說明,AZ 疫苗是利用「腺病毒載體」,免疫系統再次辨認腺病毒時容易消滅疫苗載體,而減低 AZ 疫苗的效果,可能不適合作為第三劑。反過來說,原先打 mRNA 疫苗的,可以第三劑再打 AZ 疫苗,也應該考慮其他種類和品牌的疫苗,包含 Medigen(高端)與 Novavax,蛋白質疫苗也可以是很好的選擇,而不是僅限 AZ、BNT 和莫德納。

國內最早施打疫苗的第一線人員與高齡老人,可加打第三劑作好保護。圖/envato elements

此外她也提醒,疫苗施打策略應該考量全球疫苗的整體覆蓋率,富國可以一直補打第三劑疫苗,但這次 Omicron 疫情來自的非洲,相對之下較沒有量能施打第三劑,應要趕緊提升其他各國(窮國)第二劑疫苗的施打率,並持續關注這些疫苗覆蓋率低的國家的病毒變異。

吳弘毅則表示,以整體來看,未來,我們可能需要如同流行性感冒疫苗一樣,每年固定的月份同時補打新冠疫苗,讓全球的抗體或免疫能力同步。

Omicron 的研究還在進行中

有關 Omicron 的突變對傳播力、各廠牌疫苗的影響,以及感染後的情況,科學證據都還在累積當中。「台灣科技媒體中心」強調,目前應有效評斷最新研究證據的可信度與推論程度,國人不宜在未有足夠證據的狀況下,急於做出對於 Omicron 病毒的評判。

施信如與吳弘毅也表示,從現在 Omicron 有限的資料來看,Omicron 是否會對台灣造成嚴重影響仍未知,必須考量台灣的疫苗覆蓋率、防疫策略以及醫療量能。同時,台灣也須嚴密監測各國 Omicron 的疫情狀況和最新研究,以協助政府進行政策判斷。至於一般民眾則需有心理準備,防疫是長期的工作,勤洗手和戴口罩仍然是最重要的防疫基本方式,如此才能盡量降低接觸病毒的量。

勤洗手和戴口罩仍然是最重要的防疫基本方式。圖/envato elements

台灣科技媒體中心_96
141 篇文章 ・ 21 位粉絲
台灣科技媒體中心希望架構一個具跨領域溝通性質的科學新聞平台,提供正確的科學新聞素材與科學新聞專題探討。