向昆蟲取藥:從螞蟻身上的微生物找到新型抗生素

專們養殖真菌維生的螞蟻Cyphomyrmex sp. 圖片來源 by ALEX WILD

撰文|黃佳欣

 抗生素的發現是醫學史上重大的里程碑,許多嚴重危害人類的細菌感染疾病能被有效地控制。但是,由於過度濫用抗生素,人類世界正面臨抗生素耐藥性的重大危機,許多曾經是萬靈丹的抗生素對於某些有耐藥性的「超級細菌」已經失去效用。因此,科學家正努力尋找新的方式或藥物來對抗這些頑強的超級細菌。

其中一種方式是研究其他物種如何對抗病菌的方法。例如,超過12,000種螞蟻跟人類一樣都過著密集的群體生活,甚至高達千萬的個體在同一個巢穴中共居,這樣高度社會化的生活方式必然會增加螞蟻們接觸病菌的機會。

工蟻每天都會辛勤地出外採集,帶回來的食物中除了無害的微生物,也同時會附著致病的病菌。再加上潮濕暖和的蟻巢對於這些病菌是絕佳的生長環境。僅管螞蟻遭遇病菌的風險非常高,許多螞蟻都是自然環境中的優勢物種,經過長期的演化過程,他們勢必發展出有效的對抗機制與策略。

過去的文獻曾報導螞蟻會分泌抗菌物質來抑制病菌的生長,最近一項較大規模的試驗證實了這個假說,美國亞利桑那州立大學的研究人員採集了美國境內20個螞蟻物種的不同規模大小的群落,萃取螞蟻身上的化合物,檢驗是否具有抑制表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)的活性。他們發現大約有60%的螞蟻群落會產生抗菌物質做為抑制病菌傳播的免疫能力 [1]。因此,從這些螞蟻身上找到的抗菌物質成為我們找尋新型抗生素藥物的希望。

然而,這些未知的抗菌物質是什麼樣的化合物呢?這是一個棘手的難題。來自威斯康辛麥迪遜分校細菌學系Cameron Currie 教授的團隊最新發表在自然通訊(Nature Communications)上的一項研究讓我們看見了一道曙光。Currie教授的團隊建立一套完整的分析流程,評估來自螞蟻身上的鏈黴菌(Streptomyces)中找出一種新穎的抗生素藥物 [2]。

大多數抗生素藥物都是從生活在土壤中的細菌中發現的,只是目前要從土壤細菌找出新型的抗生素就像是緣木求魚般困難。

鏈黴菌大約起源於3.8億年前,後來演化出許多的分支,其中一些常見於土壤中,一些則跟昆蟲共同生活。經過長時間的演化,與昆蟲共生的鏈黴菌已經發展出與土壤鏈黴菌截然不同的屬性。

Currie教授的研究團隊首先對來自北美和南美不同環境的1,400多種昆蟲身上找到的鏈黴菌的菌株進行詳盡的搜索跟試驗,他們發現來自昆蟲的鏈黴菌種類相較於其他從土壤或植物中找到的,能更有效地抑制病原體的生長。

接著,他們分析並比較這群昆蟲關聯的鏈黴菌基因組序列,成功地破解出其中一群特殊的基因是用來產生這類抗菌化合物,並用質譜儀解析化合物來確認分子結構上的差異。

最後,他們從一種來自巴西專門養殖真菌的螞蟻(Cyphomyrmex sp.)身上之鏈黴菌純化出一個新型抗生素,命名為cyphomycin 。 在小鼠的試驗中,cyphomycin可以成功地治療被白色念珠菌(Candida albicans)的感染。這種白色念珠菌是一種伺機性感染的致病真菌,讓免疫功能低下患者生病。而且cyphomycin 對於小鼠是低毒性不會引起副作用。基於在小鼠初期試驗的成效讓研究人員已經針對cyphomycin提出專利,期待開發用在人類臨床使用的新型抗生素。

這篇跨領域的研究成功地克服從昆蟲關聯的微生物中挑選出新型抗生素的難題。雖然,距離臨床試驗用藥還有好長的開發之路,更重要的是持續在初期篩選出更多有潛力的化合物。眾多的昆蟲種類給我們很多機會繼續去探索!

 

參考文獻

  1. Penick CA, Halawani O, Pearson B, Mathews S, López-Uribe MM, Dunn RR, et al. External immunity in ant societies: sociality and colony size do not predict investment in antimicrobials. R Soc Open Sci. The Royal Society Publishing; 2018;5: 171332. doi:10.1098/rsos.171332
  2. Chevrette MG, Carlson CM, Ortega HE, Thomas C, Ananiev GE, Barns KJ, et al. The antimicrobial potential of Streptomyces from insect microbiomes. Nat Commun. Nature Publishing Group; 2019;10: 516. doi:10.1038/s41467-019-08438-0

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作者:黃佳欣,
臺灣大學昆蟲學博士。現為中央研究院資訊科學所博士後研究員。過去以昆蟲生理及腸道菌共生關係為研究主題,目前聚焦於生物資訊與功能性基因體學。

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