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治理细菌:潜伏+自爆

2011年12月07日 16:44 来源: 《新民周刊》 【字体:

  提起“人肉炸弹”,你会想起什么——悄悄潜入人群,伺机爆炸,令人生畏;提起“超级细菌”,又有什么感想——无药可治?还是采用大剂量抗菌药物?看起来风马牛不相干的两样东西,近期却被科学家有机地联系在了一起。相关的研究成果发表在《分子系统生物学》(Molecular Systems Biology )杂志上。

  以菌治菌

  新加坡南洋理工学院(Nanyang Technological University)的生物工程专家Chueh Loo Poh和化学工程师Matthew Wook Chang合作研究新型的抗菌方案。他们研究的对象为绿脓杆菌(p.aeruginosa),也称为铜绿色假单胞菌,这是一种在自然界中广泛存在的细菌,是我们伤口感染时较常见的细菌。因为感染后脓汁和渗出液等呈现绿色,所以被命名为绿脓杆菌。它的抗药性非常强,我们传统的抗生素治疗方案对其非常头疼。

  已有研究报道,绿脓杆菌能够识别同类菌株,它们会释放一种特别的化学信号进行彼此交流。当有大量绿脓杆菌聚集的时候,这种信号分子的浓度也会随之提高。科学家借此得到了灵感,他们对大肠杆菌进行基因改造。

  大肠杆菌是分子生物学中应用最广泛的一种表达体系,科学家对它们的遗传背景几乎了如指掌,因此也就经常被科学家用作各种外源蛋白的表达载体。科学家首先让大肠杆菌能够识别一定浓度的外部信号,也就是说,大肠杆菌能够清楚地知道自己所处的环境是一个绿脓杆菌大量聚集的环境,然后它就会行使自己光荣的“自我牺牲”使命。

  科学家改造基因后让大肠杆菌能够产生绿脓杆菌素(pyocin)——这是一种绿脓杆菌产生的物质,主要作用就是抑制同种间细菌的大量生长——本来大肠杆菌是不具备这种能力的,但经过基因改造,它们也具有了绿脓杆菌的这种特别武器。充分感受到足够浓度的外部信号分子后,大肠杆菌就大量合成绿脓杆菌素。而且它们体内还含有一种“自杀基因”,当合成了足够的绿脓杆菌素,大肠杆菌就自动启动这一基因,然后自爆,将绿脓杆菌素释放到环境中,从而杀死周围的绿脓杆菌。完全就是一个地地道道的“生物定时炸弹”。据体外实验结果证实,这种“菌肉炸弹”能杀灭99%的绿脓杆菌。

  这一实验意义深远,因为其开辟了一种全新的抗菌模式,尤其在当前超级细菌横行、新型抗菌药物匮乏的时代,更有重要的启示作用。这一实验的成功之处在于考虑了新型的抗菌靶点——细菌群体感应(quorum sensing)。项目主要参与者Chueh Loo Poh也认为,他们设计这个实验的主要灵感就来源于群体感应。

  集团出击

  群体感应,顾名思义,就是细菌与细菌之间互相交流,互相配合,彼此团结,形成一个有机的群体,抱成一个团,共进共退。以前,人们认为细菌都是以单个细胞的生存方式存在于环境中,并不存在细菌与细菌之间的信息交流,这种交流和配合只存在于多细胞生物中。

  直到上世纪70年代,科学家才在海洋细菌费氏弧菌和夏威夷弧菌的研究中确定了细菌原来也可以互相交流,随后,科学研究证实,革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌,都有类似的信息交流:通过向周围环境中分泌一些特定的信号分子,来彼此感知,依据这些信号的浓度进而确定自己同类的群体密度,来衡量自身群体的数量,并调整自身的状态。

  当信号分子浓度很低的时候,也就说明环境中己方部队数量比较少,处于劣势的时候,它们就会韬光养晦,心有灵犀地保持沉默,静候时机;然而,当浓度达到一定程度的时候,也就意味着自己同类有了足够的优势,就会启动某些基因的表达。而这种表达往往具有非常重要的意义,是一个从量变到质变的过程。这一大团细菌会展示出某些新的特性,这些特性是原本单细胞生物所无法完成的,看起来就像是一个整体的多细胞生物体。

  如绿脓杆菌,数量少的时候,就隐蔽起来,不释放攻击能力,不要惊动机体的免疫系统,这样就可以隐藏实力,避免被机体一网打尽。当它们发觉外部信号分子的浓度足够大,细菌数量足够抗衡免疫系统的时候,就会同时响应,释放致病的毒素,发动总攻。更有智慧的是,细菌还能够感受不同种细菌之间的信号分子,实现种间交流,估量周围多种细菌的水平,从而判断自身在大环境与小环境中究竟是处于优势还是劣势,从而认真“考虑”自己下一步该怎么办。

  面对如此“高度智慧”的群体,科学家自然也不会束手待毙,他们将计就计,以群体感应系统作为抗菌治疗的新的靶点,利用信号分子来干扰微生物细胞间的群体感应,让细菌错误判断当前形势,来减弱病原菌的致病毒性或使之彻底失去致病能力。这一治疗策略最大的优点就是温和,只是通过信息战干扰对方对战局形势的判断,从而做出错误的战术决定,而不是为了彻底“剿敌”,不会导致细菌强力反抗,因此在理论上可以减少细菌耐药性的产生。

  基于这一理论的指导,科学家已取得了很好的实际研发进展,他们发现并鉴定得到了许多对群体感应系统具有抑制和干扰作用的小分子化合物,并进行相关的生物活性鉴定。真正实现了密切监控,让细菌都处于茫然等待中,不让它们拉帮结伙,将“不法犯罪”活动扼杀于摇篮中。

  人工合成

  作为合成生物学的一个新的研究进展,Chueh Loo Poh和Matthew Wook Chang已完成了体外实验,证实了培育的“菌肉炸弹”是合格的。

  其实,作为一种工程菌,改造过的大肠杆菌就具有潜在的危险,一方面是来源于大肠杆菌本身,毕竟在某些条件下大肠杆菌也是一种致病菌,会引发败血症等疾病,而这种改造的工程菌或许会更甚于普通的菌种;另一方面是来源于其所携带的绿脓杆菌素,虽然这是杀灭绿脓杆菌的有效武器,但还不清楚大量的此种毒素会不会对我们身体造成伤害。

  不管怎么说,这一研究毕竟提供了一种全新的抗菌思路,改变了传统的抗生素杀菌方案,要知道,在过去10年间,真正上市的新型抗生素寥寥无几。如果一切顺利,就可推广应用于更多的致病菌检测及治疗。

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