【繽紛生態】細菌會被噬菌體嚇死?

正在被STSV1噬菌體感染的Sulfolobus。圖片來源:wiki
正在被STSV1噬菌體感染的Sulfolobus。圖片來源:wiki

撰文|葉綠舒

我的博班歲月總是圍繞著噬菌體(bacteriophage)跟大腸桿菌(E. coli)。養菌就是為了要給噬菌體吃掉!

有一天傍晚,當我把大腸桿菌接種完,我忽然想到:如果大腸桿菌知道他們明天要被拿去餵噬菌體(也就是他們明天都要「肚破腸流」而死),他們還會長嗎?

當我把這個想法跟實驗室的其他人分享時,有人說:你快瘋了,趕快畢業吧!

但是,最近伊利諾大學(University of Illinois at Urbana-Champaign)微生物系的研究團隊卻發現:噬菌體真的可以「嚇到」它的宿主,使宿主「暫時停止呼吸」24-48小時;但若是超過48小時噬菌體還不走的話,宿主就會死翹翹了!

在這個研究裡,科學家們使用了古菌門(Archea)的Sulfolobus islandicus RJW002(以下簡稱S. islandicus)以及它的噬菌體SSV9(Sulfolobus spindle-shaped virus 9)。說SSV9是S. islandicus的專屬噬菌體可能不為過,畢竟一開始這隻噬菌體就是從它分離出來的;而S. islandicus的免疫系統CRISPR-Cas具有與SSV9百分之百相同的序列,顯示了它經常被SSV9感染。

看到這裡,讀者可能會想到:什麼?細菌有免疫系統?

是的。許多古菌門的成員,在自己的基因體中都帶了一段噬菌體的序列,用來辨認自己是否遭到噬菌體入侵。一旦噬菌體的序列在體內被辨認出來,便可以將之清除掉。這個系統被稱為CRISPR-Cas免疫系統。

研究團隊發現,即使將SSV9以一比一百的比例加到S. islandicus中,這樣稀少的噬菌體,仍舊會造成S. islandicus的生長延緩了24-48小時。同樣的時間裡,不加入SSV9的組別已經分裂了兩次以上。

當他們把這些菌放在顯微鏡下觀察時發現,與SSV9共培養24小時的菌,有95%都成了空的細胞。不過,雖然這些細胞的型態改變、在顯微鏡下看起來也像是空的;但以塗盤方式來計算菌落時卻沒有減少。由於塗盤計算需將菌塗在培養基上面,也就去掉了噬菌體,因此研究團隊認為:這些看起來像空的菌,其實只是進入了休眠狀態,一旦去掉了噬菌體,他們就能夠恢復生機。

但是,究竟S. islandicus的休眠是因為噬菌體的感染,還是只要有噬菌體存在就可以引發休眠呢?研究團隊用紫外光殺死SSV9,再把這些死掉的噬菌體放進培養液中。結果發現死掉的噬菌體一樣可以造成菌的休眠,而且如果一直讓這些菌與噬菌體在一起,到72小時時,所有的菌全部都死光光了!

當然,不能排除是否因為菌的免疫系統所產生的反應。不過,研究團隊也製作了不具有免疫能力的S. islandicus,發現噬菌體完全可以感染沒有免疫能力的菌,產生很多很多的噬菌體(感染24小時後只有1%的菌存活),而這些菌在遇到死掉的噬菌體時,一樣會產生休眠,超過48小時也一樣會死光光喔!所以,這個休眠反應並不是只有具備有免疫能力的菌所特有,而是大家所共有的;也跟被感染與否沒有關係呢!

當然,究竟休眠的目的是為什麼呢?有科學家認為,休眠是為了讓菌能夠從噬菌體身上獲取更多的資訊,使菌的免疫系統可以強化自己,下次遇到同樣的噬菌體就不會乖乖繳械投降了;這個想法相當有趣,不過還有待證實。但是,休眠可以使免疫系統趕上進度、抓到噬菌體倒是千真萬確的,在這篇研究裡也看到,有免疫能力的菌,在加入噬菌體後24-48小時都測不到新噬菌體的產生,而沒有免疫能力的菌則產生了一大堆的噬菌體。所以,免疫系統至少可以防止感染散佈,只是若噬菌體一直徘徊不走,這些菌就來個集體自殺,好像也太壯烈了一點啊!

參考文獻:
Maria A. Bautista, Changyi Zhang, Rachel J. Whitaker. 2015. Virus-Induced Dormancy in the Archaeon Sulfolobus islandicus. mBio. 6(2): e02565-14. doi: 10.1128/mBio.02565-14

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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