當前位置:首頁 > 科學傳播 > 微生物大百科

让球胜平负过关:論操縱細菌“智商”的正確姿勢

足彩单场胜平负怎么玩 www.dwoca.com   錢韋 

    中科院微生物所,植物基因組學重點實驗室 

    

  咨意操縱旁人的“智商”是許多年以來無數幻想家們(比如罰沒先生私房錢的太太們)經常夢想搞定卻又屢屢功敗垂成的一件糗事。據嚴肅考證,這一武林絕學大概只有科幻電影“X戰警”里的X教授澤維爾耍得比較在行:他老人家只要把指頭放在太陽穴上并略作低眉深思狀,基本上除了有個神奇頭盔的萬磁王以外,被X教授發射腦電波進行“智商操縱”的一眾壞份子們就都得乖乖就犯,有些甚至還被迫違心地制造出些善舉來。由此可見,控制人的智商是一件理論上顯得很有吸引力,但是在實踐上還有那么點過于科幻的夢想。退而求其次,作為“變種人”X教授的近親,我們人類是否可以先設立一個小目標,想辦法控制一些“壞”的生物的“智商”,讓它們的危害變得小一點兒?比如有害生物之一-病原細菌。 

  不過第一個問題先來了:細菌?不就是一類單細胞生物嗎!配得上“智商”這號高大上的東西? 

  這得看你如何定義“智商”。如果非得搞個應試教育,勒令細菌們在線填完一套標準門薩智商測試題并據此評分的話,細菌恐怕還得在地球上再進化20億年,學會敲擊鍵盤才能獲得“尚有智商”的首肯。但是如果按照“智商”測試體系的發明人之一,法國科學家Alfred Binet的定義:智商就是指人(或某種生物)觀察、認識自己及周圍世界,并且通過記憶、分析、想象和判斷,做出適應性反應的一種綜合能力的話,細菌非但有“智商”,甚至科學家還可以根據1個精確、定量的可靠指標給它們的聰明程度一排高下-只不過這個指標的名字有點兒繞口:“雙組分信號轉導系統”。 

  雖然雙組分信號轉導系統這個名字聽上去過于專業,其實它的運作方式相當容易理解,特別像一對著名的黃金搭檔-“瞎跛組合”。雙組分信號轉導系統里的一類蛋白名叫受體組氨酸激酶,它們一般掛在細胞膜上,扮演“跛子”的作用,能夠時刻監控環境變化。一旦形勢不妙,“跛子”(也就是受體組氨酸激酶)就能夠用蛋白質磷酸化修飾的方式,“告訴”背著他的“瞎子”該往哪個方位跑路。而扮演“瞎子”的那位可謂細菌細胞質里的頭號運動健將-反應調節蛋白,這一類蛋白對環境監測概不理會(因為那是“跛子”的任務),專職在“跛子”的指引下,控制細菌細胞的行為和各類基因的表達,做出適應反應。列位看官可千萬不要瞧不起這一“瞎跛組合”:雙組分信號轉導系統說起來雖然簡單,但是其運作效率和光輝成就在地球上的眾多生命里絕對排名第一,沒有第二。正是在這種信號系統的控制下,細菌成為地球上最為成功的生命形式。不信?您要嘗試著在地球上找個只有其它生物而沒有細菌存在的環境出來-上窮碧落下黃泉,此等環境恐怕還真不太容易找得到。 

  雙組分信號轉導系統控制著細菌細胞里幾乎所有的生理代謝過程,一個細菌細胞里編碼的雙組分信號轉導系統越多,這個細菌感知環境變化的能力就越強,就有可能占領更多的生態環境。正因如此,美國NIH的科學家Michael Galperin把細菌雙組分信號轉導系統定義為它們的“智商”。微生物學家們已經在一個網站上(www.p2cs.org)系統地對細菌“智商”進行了評分-如果1個雙組分信號轉導系統蛋白算1分的話,以前認為“智商”最高的細菌是黃色粘球菌(智商290左右),現在這一桂冠已經被其近親,橙黃標樁菌(Stigmatella aurantiaca)所摘得。這種細菌的“智商”高達335,幾乎是普通高智商細菌的3倍,堪稱細菌中的愛因斯坦!這也不奇怪,橙黃標記菌是一類掌握了復雜運動能力,并且能夠主動捕食其它微生物的高級細菌?!爸巧獺弊畹偷南婦廖摶晌適侵г?,因其智商為“零”(是的,你沒看錯,支原體沒有雙組分信號系統)。支原體是地球上最簡單的細胞生物,以至于合成生物學家們在制造人工染色體生命時,柿子先撿軟的捏,頭一個造出來的就是支原體(現在已經升級到3.0版了)。特別值得一提的是:就象“智商”較低的人不太好打交道一樣,大多數病原微生物,特別是那些離開了動、植物或人體就不能生存的病原細菌(專性寄生),它們的智商都非常低。比如導致肺結核的結核分支桿菌,其“智商”值不到20,導致肺炎的鏈球菌,其“智商”值不到30。究其原因,主要是因為寄主體內的生存環境實在是太穩定、太優越了-簡直可被稱為“流著奶與蜜的伽南之地”。病原細菌們衣食無愁,終日里游手好閑,著實犯不上去感知和響應更多的環境變化,因而在進化過程中,它們的很多“智商”逐漸從基因組上丟失所致。 

 

  既然細菌確有所謂“智商”,那么第二個問題來了:對付病原細菌感染,用抗生素就可以了,何必要費勁去操縱它們的“智商”呢? 

  這全都是由細菌“耐藥性”惹的禍!大家都知道:自1928年弗萊明發現青霉素以來,抗生素在有效防治病原細菌感染,拯救了無數生命的同時,其使用效果也越來越差。從上世紀60年代以來,病原細菌進化出的耐藥性越來越強。2016年科學家報道了1株“超級”大腸桿菌,能夠對抗幾乎所有抗生素,包括臨床用于抗感染的最后一招-粘桿菌素!由于目前正在使用的抗生素多以“打死打殘”病原細菌作為目標,比如青霉素類抗生素抑制細菌細胞壁的合成;氨基糖苷類抗生素(如慶大毒素、卡那霉素等)抑制細菌蛋白質的合成。在這些抗生素強大的自然選擇壓力下,病原細菌產生的耐藥性會飛快地在種群里積累并且保留下來。由于細菌種群大,繁殖速度極快(大腸桿菌繁殖1代才要15分鐘左右?。?,產生耐藥性的速度也相當驚人。以色列和美國科學家合作研究的結果表明:僅僅只需2周左右的時間,細菌就能進化出針對抗生素的耐藥性,而與之相比,人類研發一種臨床可用的抗生素一般需要10年之久的時間-如果發展新型抗生素的思維方式再不做革命性的轉變,仍以殺死病原細菌作為終極目標,那這這場關于耐藥性的人-菌大戰將注定是一場悲劇。 

  這種時候,X教授的“智商操縱術”就顯得非常有“智商”了:能不能考慮不把“壞”人打死,而是通過操縱他的思想和行為,令其放下屠刀,立地成佛?畢竟,絕大多數病原細菌其實也是正常生活在寄主表面或體內的共生微生物,它們一般與寄主相安無事,長期共存,只是由于極偶然的原因,比如寄主免疫力低下、生存環境發生了改變,或者受到免疫系統的錯誤攻擊,才“被迫”發展軍備,表達各類毒力因子并危害寄主健康。如果能夠利用一些新型抗生素,不以殺滅病原細菌為目標,而是人為控制它們的雙組分信號轉導系統,使“跛子”(受體組氨酸激酶)錯誤地“感到”生存環境一片太平景象,并且告訴“瞎子”(反應調節蛋白)不必武裝起來,與寄主進行一場殊死搏斗。這類新型抗生素并不威脅病原細菌的生存,只是解除它們為非作歹的意圖,在這么小的自然選擇壓力下,細菌進化出耐藥性的速度將大為減緩。這樣做的話,不但能夠有效地治療細菌感染,而且將大大減輕人類在發明抗生素上面臨的巨大壓力。令人興奮的是,這種操縱病原細菌的“智商”從而控制其危害的想法已經成為現實,并且是現代微生物學研究的前沿領域之一??蒲Ъ頤峭ü治魷婦爸巧獺畢低車腦俗鞣絞?,已經成功發展出了一些非常有前途的新型抗菌化合物,能夠激活或抑制受體組氨酸激酶的活性,從而在不影響細菌正常生理代謝活動的同時,通過操縱其“智商”,使病原細菌不再具有致病力。目前科學家已經在大腸桿菌、鏈霉菌、金黃色葡萄球菌和芽孢桿菌等病原細菌的“智商”操縱中獲得了階段性的成功,為發展下一代新型抗生素做出了貢獻。 

  10多年以來,筆者實驗室主要研究一種蔬菜病原細菌-野油菜黃單胞菌的致病機理。該細菌的“智商”值為106,算得上是一種“智商”水平較高的細菌。在利用遺傳學、生物化學和基因組學等現代研究工具與這種細菌的“智商”進行斗智斗勇的過程中,深深地感受到研究細菌“智商”之不易。雖然我們在細菌“智商”識別群體感應信號、金屬離子、脅迫信號和植物激素等方面做出了一些科學發現,但更多時候則是折服于這種細菌所表現出的生命力和其“智商”的復雜程度。如果一定要拿人的“智商”和細菌的“智商”作一個直接的對比,我們對此的觀點是:樂觀地說難分伯仲,謙虛一點I服了You!