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《科学大众》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

创办于1937年,是我国创刊最早、影响最大的科普刊物之一。现由江苏省科技厅主管、江苏省科协主办。70多...

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找到驯服细菌的密码

2015-04-21 15:39:11

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找到驯服细菌的密码

□文/ 王文峰

 

    我们看不到它们,它们却与我们亲密接触:一张流通着的纸币上至少有30 亿个细菌, 沙门氏菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、变形杆菌,以及肝炎病毒等,简直就是一艘超级细菌航母;我们随手抓起一把土壤,里面至少有10 亿个细菌;我们以为刷得洁白的卫生间一定很干净,事实上,无数的细菌正在角落里嬉闹繁殖。

 

最亲密的邻居

研究人员曾做过一个试验, 从流通市场换回的68 张一元旧币中,5 张纸币上的细菌足以让健康状况良好的人得病,59 张能让免疫系统受损者( 如艾滋病病毒携带者或癌症病人) 引起感染。你在一天中能遇到多少细菌?你可能回答不了这个问题。但人体的皮肤表层居住着数量庞大、种类繁多的细菌群落。

不要说在我们的皮肤和头发里的细菌部落,在身体内部也充斥着数以亿计的细菌。在我们的体内,有一个庞大而且与我们的健康密切相关的细菌世界。它们的数量是你身体细胞总数的10 倍还多。所以,它们对于人体的健康起着至关重要的作用。

在我们的内脏中就有近90 万亿个细菌在安营扎寨。我们之所以会长龋齿,不是真的有蛀虫,而是因为口腔中有各种细菌生存,它们在分解利用食物中的糖类时产生许多有机酸,会腐蚀牙齿,留下难看的小洞和黑斑。

人的大肠更是细菌的天堂, 因为那里有丰富的营养物质, 合适的酸碱度和温度。这些菌群通常对人体没有危害,相反它们还有一个文雅的名字—— “益生菌(意指有利于生命)。这些益生菌约占体内细菌总量的80%,它们在自我繁殖生活的同时也为人体做出了许多贡献,它们提供维生素、叶酸及氨基酸等物质,帮助人体降解食物,参与食物的消化和吸收。

    当然,绝大多数细菌是非致病的。通常它们和我们的身体融洽相处。但是,当致病菌进入我们体内或者体内细菌群落紊乱时,我们就有可能因不能抵抗它们而生病。

 

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绝大多数细菌是非致病的

 

成败抗生素

感冒了,怎么办?或许你会说:用些抗生素。使用了抗生素,很快康复了。但是, 下一次感冒时, 它还会有用吗?在大多数时间里,我们和细菌和平共处,但有时这个动态的平衡也会突然被打破。在世界上的第一种抗生素——青霉素被发现之前,每年有数以百万计的人死于某种在今天可以被轻易治愈的传染病。青霉素的发现是人类与疾病斗争史上的一座丰碑,步入抗生素时代之后,人类的平均寿命增加了15 年。

    有了各类抗生素,许多瘟疫已经被我们消灭,我们似乎可以陶醉在这场战斗的胜利中了。然而,时至今日,虽然我们已经有了更多更好的抗生素,但越来越多的可怕疾病随之而来:从世纪瘟疫艾滋病到非典,还有疯牛病和禽流感,人类非但没有将这些微小的生物统统消灭,反而使更多更难对付的致病菌出现。原因何在?由于滥用抗生素,这些细菌因本身的适应和保护机制,很快发生了变异,具有越来越强的耐药性,人类的免疫能力却越来越低。人类与这些致病菌的战斗陷入一个怪圈: 用更强效的抗生素,人类取得了短暂的胜利,然后致病菌迅速变异并产生抗药性,然后再次感染人类。

 

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由于滥用抗生素,细菌具有越来越强的耐药性

 

开启编码基因

    科学家已经意识到,要战胜细菌不能简单地依靠抗生素。为了寻找对付这些微小生命的新方法,科学家首先要做的就是破译细菌之间的语言

 

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细菌通过释放化学信号和同伴进行交流

 

细菌在人体内横行肆虐, 并不是散兵游勇似的单个作战, 因为单个细胞很容易被人体自身的免疫系统所杀死。与人类的活动相似,一些细菌在它们开始某种活动前需要具备一定的法定人数(即需要有一定数量的个体存在),科学家将它们对这种状态的感应叫做群体感应。细菌只有在感受到周围同类的相当数量之后, 才会做出是养精蓄锐还是蠢蠢欲动的决定。当细菌的数量达到某种程度时,破坏活动就开始了。例如沙门氏菌, 要等到集结成群后,才释放足够的毒素致使其宿主患病。

那么,细菌是如何感应这种状态并彼此沟通行动的呢? 细菌界也会使用各种语言, 有些语言已经被科学家成功破译。自然情况下,细菌通过释放化学信号和同伴进行交流。它们向外分泌出某种化学物质,以霍乱弧菌为例,每个细菌能释放出一种小分子,每个细菌表面都有受体蛋白,能够感受这种分子。当分子的数量达到特定的水平时,受体蛋白发生变化,使细菌感知它们有了足够的人数,继而开始发生变化:开启编码基因, 合成并释放毒素刺激宿主,导致呕吐和痢疾,排出更多的致病菌。

每种细菌都有自己的秘密语言,有趣的是,大多数细菌拥有共同的方言:化学信号。在所有的细菌中,化学信号均起源于同一个基因, 它在群体感应中被作为信号语言使用。研究人员将大肠杆菌与一种会发光的海洋细菌混合在一起,结果发现,任意一种细菌的化学信号都可以调节这种海洋细菌发光的强弱, 并打开大肠杆菌中的法定人数感应基因。

    科学家还发现了一些具有特殊指令的细菌语言:在生存压力增大时,大肠杆菌会通过各种竞争生存下去,其中包括分泌一种叫做胞外死亡因子的物质,这种物质能使细菌自杀死亡。细胞死亡对单个细菌是不利的,但通过胞外死亡因子作用于一个群体, 就能使部分细菌生存下来。

 

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每种细菌都有自己的秘密语言

 

驯服细菌

细菌的这种特殊的语言交流方式,给科学家带来巨大的启示:跟细菌聊聊天,让它们乖乖听话! 既然细菌需要感知一定数量的同类存在才会行动,那么切断它们之间的联络网,让那些化学语言无法沟通,或者降低化学语言的浓度,使之达不到开启细菌反应的浓度,使细菌的破坏活动无法进行。这是一种完全不同于抗生素的途径,科学家认为它不会带来细菌耐药性的增强。此外,我们还可以利用特殊的语言向细菌发号施令,比如利用胞外死亡因子向致病菌下达自杀指令, 让其自我消灭。

    科学家当然不满足于利用现成的细菌语言,他们希望通过遗传改造让细菌用人类制造的语言进行彼此间的交流。将一些特殊的基因加入致病菌的体内,把这些经过改造的致病菌混入到同种细菌的自然菌群中,然后提供某种特定的化学信号, 触发改造过的细菌做出应答,被改造过的细菌就能够产生毒性物质将细菌杀死,或者是向同类发出错误的指令。研究人员相信,我们可以征服更多的致病菌。也许有一天,可以跟所有的细菌聊天

 

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(责任编辑:曹伟)







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