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有僵屍細菌嗎?真的假的?可不可怕?

葉綠舒
・2014/09/16 ・1597字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

真核細胞週期的研究已經超過一個世紀了。2001年,三位科學家因為找出阻止細胞從雜亂和無休止地分裂的機制,而獲得諾貝爾生理學和醫學獎。甚至在諾貝爾獎網站(Nobelprize.org)有個細胞週期控制遊戲可以玩。

從真核細胞週期的研究可以想見,細胞並不像一個肥皂泡,可以簡單地一捏就變成兩個。忠實地複製遺傳物質,並平均分配到子細胞,是所有生命形式至關重要的的能力。即使是看似簡單的單細胞生物,也要有辦法精心複製他們的DNA,仔細分離出新複製的遺傳物質,並且平均分配,以保證自己的後代的生存。

在真核細胞(植物和動物)中,精心設計的分子迴路,負責協調細胞分裂時的遺傳物質複製與分離;就像一台洗衣機上的控制旋鈕協調攪拌、漂洗和脫水。細胞控制系統,如同洗衣機控制系統,具有感應器可檢測異常。如果事情出錯了,就關機。

但是,細菌在營養豐富的狀況下,會利用這個情況盡可能快速地繁殖,將細胞分裂和DNA複製這兩個步驟重疊;而這種狀況,在真核細胞中永遠不會發生。

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圖片來源:維基百科
Escherichia coli 圖片來源:維基百科

由過去的研究知道,細菌在營養豐富的狀況下,依靠「multifork複製」使自己可以每20分鐘分裂一次。「multifork複製」指得是,細菌在DNA複製的第一輪完成之前,就發起新一輪的複製。只要在分裂之前確保至少有一組遺傳物質複製完畢就好,至於複製到一半的部分,將在隨後的幾次細胞分裂前完成。

因為細菌可以使這兩個基本過程同時進行,因此過去細菌被認為缺乏如真核細胞般的故障安全機制。不過,在8月28日的Current Biology中,華盛頓大學的研究團隊顯示,在細菌細胞週期中存在著至少兩個故障安全點,將DNA複製與細胞分裂連結起來。

雖然過去以為細胞分裂與DNA複製是各自獨立的,但這次的研究成果顯示了,它們並不是獨立的兩個事件。新一輪的DNA複製的起始有賴細胞分裂的成功完成;而分裂組件在細胞中間的裝配又取決於DNA複製的起始。

實驗發現,當細胞分裂受阻,DNA的複製逐漸減少,並且在五代之後,細菌達到了不歸路。當直接阻止DNA複製時,大約三個世代以後,細菌就達到不歸路。這些實驗結果顯示,DNA複製出現問題,可能是使細菌進入僵屍狀態(zombie-like)的重要事件。當細菌進入僵屍狀態後,即使在最有利的條件下也無法進行繁殖。

對單細胞生物來說,進入僵屍狀態,可能是利他主義的一種形式。自然界中,細菌通常是以群體形式存在。從群體中刪除老化或不健康的細胞,對整體群體有利,因為它將不再爭奪營養以及產生有缺陷的子細胞。

不過,雖然研究確立了在細菌細胞週期中,存在著兩個故障安全點(即細胞分裂,以及DNA的複製),但是確保適當的細胞週期進程的機制,仍然是一個謎。

未來研究團隊必須做的就是,找出細胞分裂機制如何告訴DNA複製機器:「你的的東西有錯誤的」,以及DNA的複製機器如何傳達給細胞分裂機制「我這裡不對勁。」。

了解細菌的細胞週期調控機制,對於醫藥上可能可以產生重大貢獻。關閉細胞週期的藥物,可以用來對抗細菌感染。它們不僅能防止細菌繁殖,還可以阻止抗性基因的傳遞或細菌在藥物被代謝後又再度恢復。

目前研究團隊發現一種新藥PC190723,可以抑制金黃色葡萄球菌細胞分裂。它是加州大學戴維斯分校的Jared Shaw合成的,目前正在針對MRSA(耐甲氧西林金黃色葡萄球菌)菌株進行測試。

研究團隊發現,當他們將PC190723和甲氧西林等藥物合併使用時,甲氧西林似乎又再度能發揮效用。細胞分裂抑制劑透過某些機制,使得細菌再度對該藥物產生敏感性。

因此,研究人員認為,這些信息傳導途徑將是新的抗生素發展的目標。因為,能使細菌走上不歸路的藥物,不僅可以阻止他們的繁殖,停止感染的發展,還可以防止細菌​​分享抗生素耐藥突變給其他人。最重要的是,走上不歸路的細菌(僵屍細菌),即使藥物已經代謝掉了,還是無法復原。

所以,僵屍細菌可怕嗎?

原刊載於作者部落格Miscellaneous999 

參考資料:

2014/8/28. Zombie bacteria are nothing to be afraid of. Science Daily.

文章難易度
葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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精子從哪裡進入卵子會影響胚胎發育?——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/20 ・2697字 ・閱讀時間約 5 分鐘

當我第一次驚喜瞥見打破對稱性的可能起源時,我驚訝地發現到這段歷程似乎很早就開始了,而這也為我運用綠色螢光蛋白追蹤細胞分化的研究鋪起了大道。卡羅琳娜與我想要進一步探索這個研究發現,所以我們提出了一個有關其終極源頭的簡單問題:精子進入卵子的位置是否對於胚胎一開始失去對稱性有任何影響?在線蟲與青蛙這類動物的胚胎中確實是這樣,但在哺乳動物(例如小鼠)的胚胎中也一樣嗎?

對稱藝術

當我們將生命的起源以動畫演繹出時,常常看到的影像就是精子設法進入沒有任何特徵的圓形卵子上,並融入其中。若情況是這樣的話,就很難看出精子進入卵子的位置是要如何對未來一切發育有所影響。在這個理想化的卵子上,任一處表面都與其他表面沒有任何差異。不過,當然還是存在有個參考指標,那個等同於「這邊是上面」的指標就是:極體。

圖/pexels

極體是從減數分裂的不對稱過程中所產生,細胞「骨架」在這個過程中會聚集以協助細胞進行分裂。這個細胞骨架稱為紡錘體,它會從細胞中心點往細胞邊緣移動,產生出一個大大的卵子與一個小小的極體。我們可以合理認為,紡錘體與染色體的移動可能打破了卵子的對稱性,也造成了擠壓極體的發育。許多人的確注意到極體最終總是會落在受精卵進行分裂的那個平面上。

理查.加德納這位我們之前見過的科學家,發現極體會附著在卵子上,它不只會確立受精卵首次分裂成兩個細胞的那個平面,它還會在幾天後確立出囊胚的對稱軸。這項發現讓我們有所啟發。這真的是因為卵子中的軸向資訊會一直持續到囊胚階段,還是有其他的因素會影響胚胎發育的對稱性?在我們進行科學研究的過程中,我與卡羅琳娜在當下這個時間點想要知道的是,精子進入卵子的位置是否也會影響胚胎發育,並提供第二個定位線索。

卵子上的座標——精子進入的位置會影響胚胎發育嗎?

就像在地表上某個地點跟北極的相對位置,可以定義所謂的經線,我與卡羅琳娜想要知道,精子進入卵子的位置是否也可以提供相對於極體位置的另一位置資訊。若真的是這樣,我們就能更精準確立進行首次分裂的那個平面。這感覺起來很合理,因為極體的形成與精子的進入位置都會重新排列之後會運用在卵子分裂上的細胞骨架。若不是這樣,分裂的那個平面與精子的進入位置之間就只有隨機的關係。

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以現代科技來說,我們很容易就可以解決這個問題。我們可以將這個過程拍成影片,來看看從精子進入卵子後到後續細胞進行分裂的幾天之間究竟發生了什麼事。但在我們開始研究的那個年代,不存在這樣的選項。我們無法拍攝小鼠胚胎從受精開始進入發育的影片,要等到幾天後胚胎進入囊胚階段才行。我們只能想辦法去標記精子進入的位置,以便可以追蹤它與受精卵在數小時後首次分裂的那個平面之間的關係。

圖/pexels

我一開始想著要用某種自然一點的東西,像是胚胎幹細胞這種非常微小的細胞,在卵子受精後馬上附著在精子進入點上,因為那時還可以看到進入點,但最後我有了更簡單的辦法:我們改用肉眼看不見的微小螢光珠。我們成功了,但我很後悔沒有給這些珠子取個像「微球體」這樣酷炫的科學名稱。當然,同領域人士不認同的不僅僅只是這些珠子要怎麼命名,但「珠子」這個名稱有種簡樸感,所以批評者會用這個名稱來貶低我們的研究,這就是我們得要付出的代價。

一開始很容易就能看到精子是從哪裡進入卵子的。它會留下一個名為受精錐(fertilization cone)的小小凸起。受精錐是由卵子的細胞骨架所建構,並由肌動蛋白的纖維所組成,它大約會凸起半個小時。這時間剛好足夠嵌入一至兩個珠子來標記位置。

我們將這些珠子浸到名為植物血凝素(phytohemagglutinin)的蛋白質混合物中,珠子就會具有黏性。植物血凝素常用於讓細胞聚集在一起。因為人的手不夠穩定,所以卡羅琳娜會以一隻機械手臂來拿取具有黏性的珠子,並將珠子放到卵子的表面上,同時還會以另一隻機械手臂牢牢固定住剛受精的卵子。

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圖/pexels

雖然珠子很小,直徑只有 0.0001 至 0.0002 公分,但在紫外線的照射下看起來大多了,亮綠色的點讓我們很容易就可以追蹤它的命運。觀察受精卵的發育時,我們發現珠子最終會來到細胞首次分裂所產生的兩個細胞之間的邊緣,或者是非常接近這個地方。

受精卵的分裂平面真的是由精子決定的嗎?

我們一直都在挑戰我們的思考與發現。上述情況有可能是任何落在卵子表面的珠子都會掉進分裂溝(cleavage furrow)中。所以為了確認,我們進行了一項對照實驗,卡羅琳娜將另一顆類似的珠子隨機放在卵子表面的其他地方。令我們欣慰的是,這顆珠子最終沒有掉進細胞分裂時所產生的分裂溝中。對我們而言,這表示精子進入卵子的位置以某種方式「被記住」了,並且成為受精卵偏好進行分裂的地點。換句話說,若我們是對的,受精卵之所以會在這個平面進行分裂,是因為偏好(biased)而非隨機(randomly)。

我們持續獲得了各種新發現。在胚胎從兩個細胞發育成四個細胞的階段中,帶有精子進入標記的那個細胞,會傾向於先進行分裂。這個細胞的命運之所以會改變,是因為精子帶入的物質滋養了它嗎?受精的三天後,精子進入標記會留置在囊胚兩部位之間的邊緣處,一個部位是含有會形成胚胎本體的胚胎部分,另一個則是胚外部分。

這表示了,兩細胞胚胎內的其中一個細胞較容易發育成胚胎,另一個則傾向於變成胚外部分。我們感到震驚。我們觀察影像好幾個小時,甚至好幾天。我一開始根本不敢相信這些發現,所以我請卡羅琳娜一再重複進行實驗,打破早期對稱性的證據怎麼這麼簡單,會不會太簡單了?

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可以理解地,對此感到懷疑的人士可能會吹毛求疵地表示,決定分裂平面的不是精子進入點,而是將珠子嵌在進入點的這個動作。為了驗證這個可能性,我們進行了許許多多的對照實驗,我之後會提到。我們已經確認過,將珠子放置在受精錐以外的任何一個地方,都不足以決定分裂的平面。但我們還有諸多其他事項要一而再、再而三的確認,因為我們必須很確定。

這張圖片的 alt 屬性值為空,它的檔案名稱為 0823--300.jpg

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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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》
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・2023/03/11 ・1874字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • 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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