【繽紛生態】細菌會被噬菌體嚇死？

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。