Nature驚人發現：大腦一般的細菌
日期：2015-10-23 08:46:11
人類大腦被譽為進化的最高杰作，而細菌則是一些低等的個體，它們之間似乎有天壤之別。然而加州大學圣迭戈分校的科學家們發現，細菌相互通訊的機制與人類大腦非常相似。這項研究發表在十月二十一日的Nature雜志上。
“這一發現不僅改變了我們對細菌的看法，也改變了我們對大腦的認識，”這項研究的領導者，加州大學圣迭戈分校的副教授Gürol Süel說。“人類的感覺、行為和智力都取決于大腦神經元之間的電信號傳導，這一過程由離子通道介導。現在我們發現，細菌也通過這樣的離子通道進行通訊，并由此解決自己的代謝壓力。由此可見，代謝壓力觸發的神經疾病可能具有古老的細菌淵源，人們可以從一個新角度來看這類疾病的治療。”
“我們對大腦電信號傳導的理解，大多基于細菌離子通道的結構研究，”Süel說。但細菌如何使用這些離子通道一直是一個謎。為此，Süel及其同事對生物膜中的遠距離通訊進行了研究。生物膜由數百萬緊密聚集的細菌組成，對化合物和抗生素有很高的抗性。
研究人員發現，當枯草芽孢桿菌組成的生物膜生長到一定大小的時候，保護性的邊緣細菌會周期性地停止生長，以便營養物質（尤其是谷氨酸）流入生物膜的中心地帶。正因如此，中心地帶受到保護的細菌既可以生存下來，又能夠抵抗化合物和抗生素。值得注意的是，人類大腦活動有一半是谷氨酸驅動的。
研究人員認為，生物膜中遠距離細菌之間的代謝調節可能涉及了電化學通訊。于是他們在生物膜的代謝振蕩中監測了細菌細胞膜電位的改變。研究顯示，膜電位的改變與生物膜的生長振蕩相符，而且膜電位改變是離子通道介導的。
進一步研究表明，生物膜的遠距離電信號傳導是通過鉀離子實施的，鉀離子擴散波協調著內部和外部細菌的代謝活性。去除細菌的鉀離子通道，生物膜的電信號傳導就無法進行。
“跟我們大腦中的神經元一樣，細菌也通過離子通道介導的電信號彼此交流，”Süel解釋道。“生物膜里的細菌群體像一個‘細菌大腦’一樣運作。”
研究指出，這種細菌通訊機制與人類大腦的“皮層擴散性抑制”驚人的相似，而皮層擴散性抑制被認為與偏頭疼和癲癇有關。“偏頭疼和這種細菌通訊都是由代謝壓力觸發的，”Süel說。“這說明許多癲癇和偏頭疼藥物也能有效攻擊細菌生物膜，幫助人們解決全球性健康難題——抗生素抗性。”
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