化敵為友，細菌利用噬菌體來自我辨識
噬菌體 (phage) 如同其名，是一種會吞噬掉被寄生之細菌宿主的病毒，對細菌來說噬菌體原本是可惡的敵人。然而，近日 Cell Reports 上的研究，發現細菌能利用是否攜帶噬菌體，來作為辨識自己夥伴的標記，並再使喚噬菌體去攻擊競爭食物的其它細菌。把敵人變幫手，真是高明的手段！
撰文｜楊朝傑
●細菌不僅會彼此溝通，連自我辨識也難不倒它
早在 1970 年代，科學家就已發現細菌能夠彼此溝通，經典例子是一種海洋發光細菌─費雪氏弧菌 (Vibrio fischeri)，這種海洋弧菌就像螢火蟲一樣可以發出生物冷光 (bioluminescence)，它與夏威夷短尾烏賊 (Hawaiian bobtail squid) 是共生關係，烏賊可利用細菌發出的光來幫助獵食。調控細菌是否該一起發光的機制，就是通過細菌自己分泌的物質在自身周圍的濃度高低，進而調控細菌整個群體的行為。
細菌除了透過上述溝通方式來決定集體行動，但又是怎樣才能在作戰時不會誤傷友軍？人類的作法很簡單，像是在球賽中只要穿上不同顏色的球衣，就能分辨哪些人是隊友，也就是說只要能辨認與自己有著相同標記的方法即可。近日，發表在 Cell Reports 上的研究，科學家發現如果細菌能區分出自身群體，將有利於生長與覓食，這個現象是從受噬菌體感染的大腸桿菌 K-12 菌株 (Escherichia coli K-12)，其可優先溶解其他未感染的 K-12 菌株，進而使受感染的菌株勝過無感染的競爭對手。攜帶噬菌體，變成是細菌辨視敵我的標記與防禦武器。
●培養基上的分界線是研究之開端
這項研究就像歷史上發現青黴素 (penicillin) 的事件雷同，當時英國微生物學家亞歷山大‧佛萊明 (Alexander Fleming)，從被黴菌污染的細菌培養基上，發現細菌無法生長在黴菌菌落周圍，形成一圈抑制生長的明顯分界線，因此第一個抗生素─青黴素就被純化分離出來了。
本篇研究的科學家觀察到類似情況，當大腸桿菌不同菌株接種在同一盤細菌培養基上時，經過一段時間生長，不同菌株在相遇的區域會建立起一道「分界線」，就類似古代中國為抵禦塞北遊牧部落聯盟所築的「長城」一般。
為了要解答分界線形成的機制，科學家從大腸桿菌的 4,296 個單基因剔除 (knockout) 之菌株進行篩選，結果發現如果剔除的基因會影響到噬菌體複製，這種分界線就會消失，所以推測分界線可能是通過噬菌體引起的細菌溶解所形成。並且還發現，這是由一種長尾噬菌體科 (Siphoviridae) 在本研究命名為 SW1 噬菌體，其控制了分界線的形成。
●噬菌體形成的分界線可保護細菌對抗外敵
通過一連串的實驗，科學家假設在大腸桿菌長久的演化過程中，曾經捕獲過一些古老噬菌體基因並困在自身染色體內，不會對自己造成傷害，這些隱藏的噬菌體基因再搭配新感染 SW1 噬菌體能夠互相合作。當攜帶 SW1 的大腸桿菌與未攜帶 SW1 的大腸桿菌在培養基上相遇時，部分細菌的 SW1 會被活化而釋放到環境中，並且去攻擊未攜帶 SW1 的細菌，相當於是殺死沒有被 SW1 標記的外敵，而「分界線」就是因為在交戰區域裡沒有細菌存活 (被噬菌體消滅) 而產生。當形成分界線後，在這道防禦「長城」的保護下，屏障內的細菌可以進行繁殖和覓食，所以攜帶有 SW1 噬菌體的細菌，可以幫助其宿主抵禦競爭對手或是其它對宿主有害之噬菌體的入侵，並在特定的情況下創造出優勢條件。
由於還不清楚其中的具體分子機制，在未來的研究裡，科學家預計將進一步探討 SW1 噬菌體如何避免攻擊其宿主，卻能殺死未攜帶 SW1 噬菌體的細菌。如果能更深入地了解噬菌體是怎麼選擇攻擊時機與對象，或許未來也能利用噬菌體來對抗會感染人體的細菌。這也值得讓科學界再重新思考，病毒與其他細胞宿主之間的關係，因為或許在某些競爭條件下，病毒感染可能反而對宿主有利，也可稱得上是另類的「因禍得福」了。
參考資料：
- Song S, et al. Cell Rep. 2019;27:737-749.e4. Phages Mediate Bacterial Self-Recognition.
- Nealson KH, et al. J Bacteriol. 1970;104:313-22. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system.
- 鍾金湯，2005/05/10，科技大觀園，佛萊明–青黴素的發現者
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作者：楊朝傑 成大微免所碩士，曾著有《圖解醫學》一書，
