【吃出科學】微生物的海苔基因大餐

■ 法國科學家發現,日本人的腸道裡藏著一群基因不太一樣的微生物——大概是被海苔養出來的。

filmmaker in japan@flicker
日本人的傳統膳食中充滿海苔(日文稱為Nori,是多種可食海藻的總稱。也叫做紫菜)

編譯 ∣ 周炳辰

您或許知道,居住於腸道的微生物可以幫助我們消化食物──但不同文化的飲食差異也決定了腸道微生物可以消化的食物類別。

想像一下:在國外用餐時,侍者送來一道食物,由於過於特殊,無法以任何已知的餐具食用。這時候有位在地人看到這個情況,很體貼地遞上一支設計精巧的餐具,讓您可以愉快地用餐(如果需要更實際的例子,就想像榴槤和大砍刀吧)。腸道微生物和人類宿主其實就是這樣的關係。

腸道裡居住各式各樣的微生物,牠們數量驚人,大多是長期住戶,而我們的飲食在如此複雜的生態中扮演極其重要的角色,牠們由我們吃的食物獲取養分,我們也利用牠們消化食物。許多植物多醣體是人類酵素無法處理的,於是它們通過腸道,由腸道微生物幫忙處理。法國羅斯科夫(Roscoff)的生物學家希曼(Jan-Hendrik Hehemann)發現一個有趣的例子:人類腸道微生物由海洋微生物取得一段基因,讓牠們可以吸收海草難以消化的部分。

水平基因轉移

由於腸道裡居住的微生物有數百種,可以想見競爭非常激烈;和「獲取碳源」相關的基因,例如醣苷水解酶的基因,無論對腸道微生物整體或個體而言都很重要。腸道微生物如果想在競爭下生存下來,最直接的策略之一就是習慣宿主的食物,想辦法利用宿主食用的多醣體類型。細菌可以透過水平基因轉移(lateral gene transfer)演化,由其它生物獲取有用的遺傳訊息。如果獲得的遺傳訊息有助益於生存,那麼擁有該基因的細菌就會變多,例如獲得抗生素耐受性基因的細菌在有抗生素的環境下更容易存活,久而久之就會變成優勢菌。研究腸道微生物的科學家對於腸道生態的基因轉移很感興趣——基因如何轉移?如何幫助微生物獲得生存上的優勢?而又受到什麼環境因素影響?

「壽司基因?」

kqedquest@flicker
消化紫菜需要海洋來的微生物幫忙

希曼的研究團隊在研究海洋中的擬桿菌 Zobellia galactanivorans 時發現一種新的醣苷水解酶,專門切斷紫菜聚醣(porphyran)。他們透過蛋白質的晶體結構研究這種醣苷水解酶與碳水化合物受質接合的部分,並針對這個部分搜索所有公開的基因序列資料庫。他們的發現令人驚訝:除了某些海洋細菌之外,人類腸道桿菌 Bacteroides plebeius 和人類糞便的環境基因體(metagenome)也有這種醣苷水解酶的特異性序列。由於沒有其它腸道桿菌擁有類似的基因,可以推測 Bacteroides plebeius 很可能透過水平基因轉移,由海洋細菌獲得這個基因。然而,為什麼生長於人類腸道的細菌需要獲得消化藻類多醣體的基因?

希曼的研究團隊這時候發現,先前透過資料庫找到的六株 Bacteroides plebeius 宿主都是日本人;而當他們比較人類糞便的環境基因體,發現這種醣苷水解酶的特異性序列主要存於日本人的腸道微生物,相較之下,美國人的腸道微生物罕有這種醣苷水解酶的特異性序列。或許日本人在壽司等各種食物長期食用紫菜,讓日本人的腸道微生物有機會接觸可以處理紫菜聚醣的海洋微生物,長久下來,造成日本人腸道微生物基因體和其它國家不同。

希曼的研究除了彰顯序列資料庫的重要性和研究方法,更顯現環境影響微生物相的可能性。他們的研究帶來許多有趣的議題。人類演化迄今,環境、飲食、生活習慣均有巨大的變動,由狩獵生活至農耕生活至都市高度加工的速食文化,我們的腸道微生物也不斷演化。人類比起過去更容易旅行了,更容易接觸到新的食物、新的烹飪方法,腸道微生物是否能夠迅速地習慣新的飲食?而又如何演化?或許下次大啖異國風情大餐時,可以想像一下:您正在吃進一大堆新面孔的微生物朋友,而原本就住在你肚子裡的熟面孔也準備換一套新餐具了!

 

延伸閱讀:Gut Bacteria Give Super Seaweed-Digestion Power to JapaneseWired Science)、Microbiology: Genetic pot luckNature

責任編輯:MissZoe
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7 thoughts on “【吃出科學】微生物的海苔基因大餐

  • 2010 年 05 月 03 日 at 12:20:16
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    所以如果天天練習喝牛奶,亞洲人的乳糖不耐問題也可能會治好嗎?f@_@

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  • 2010 年 05 月 03 日 at 14:47:14
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    這個我可以告訴你:
    我對牛奶類製品可是從小過敏到大的,因為愛吃,只得天天鬧肚子.嘔吐和眩暈;可以憋一天不吃,才能健康正常一天;
    過敏機制情況是不一樣的.

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  • 2010 年 05 月 03 日 at 15:32:41
    Permalink

    乳糖不耐應該是指對應乳糖的消化酶欠缺(文章裡提到的是消化海藻的酶),而不是乳製品過敏吧?乳製品過敏好像是另外一件事?
    (呵呵,這個我會知道,是因為大學的時候有修過食品科學的課~不像蚯蚓一樣忘光光...>_<)

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  • 2010 年 05 月 29 日 at 04:52:04
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    (隔了這麼久了。還可以留言嗎?)
    正好我這一陣子寫了一篇有關這個研究的報導,所以想回應一下Emily還有Zoe.

    這個從現在開始吃海苔到底可不可以“訓練”我們(的子孫)肚子裡的微生物從海洋微生物那裡得到可以消化的基因呢?其實機率是很小的。因為現在大部份的食物都經過高溫殺菌處理,除非像古早日本社會的這種純“有機”攝取,實在沒什麼機會吃到別的微生物。

    至於乳糖不適,這是因為斷奶後的哺乳類,本來就不需要消化酶,身體自然也就不會生產,應該說那些有乳糖不適應症的人才是正常的。我們現在還可以攝取乳糖,是因為自從新石器時代,人類社會轉型,人口增加,為了營養蛋白質需求才開始利用二次產物(肉以外的產物,像毛皮啊,奶製品啊等等的),慢慢的,才演化成消化酶還繼續生產的情形。也是因為如此,乳糖不適的東方人比西方人多。

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  • 2010 年 05 月 29 日 at 08:48:05
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    這是專業的回應。能附上論文reference嗎? Thanks.
    It means we must activate some idle genes.

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    • 2010 年 05 月 31 日 at 04:19:08
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      有關海苔的部份正是Hehemann等人的文章,還有Science Now與Nature News的相關報導。

      有關乳糖的部份可以參考Evershed et al (2008)在Nature與Beja-Pereira et al (2004)在Nature Genetics的文章。

      至於是否需要'activate'閒置的基因,我倒是覺得不一定,如果不需要適應環境的改變,啓動了只是浪費能源。不過話說回來,這也不是我們可以決定的。

      Reply
  • 2010 年 05 月 31 日 at 14:14:29
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    南沁女士七月可能回台灣,老師到時也一起來聊聊女科學家生涯規劃的事情吧!^_^

    Reply

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