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!

圖片出處 @pixabay

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:

  1. Song S, et al. Cell Rep. 2019;27:737-749.e4. Phages Mediate Bacterial Self-Recognition.
  2. Nealson KH, et al. J Bacteriol. 1970;104:313-22. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system.
  3. 鍾金湯,2005/05/10,科技大觀園,佛萊明–青黴素的發現者

 

--
作者
:楊朝傑  成大微免所碩士,曾著有《圖解醫學》一書,樂於將醫學新知以淺白文字讓更多人了解。

 

加入好友

820 人瀏覽過