菌群中同樣存在利他行為
日期：2010-09-09 17:25:01
一直以來，舍己為人、無私奉獻(xiàn)都被認(rèn)為是人類社會的傳統(tǒng)美德而被廣泛傳頌。而日前美國科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表的一項研究卻發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌世界里同樣也存在著毫不利己的無私之舉。
讓人困惑的耐藥性之謎
隨著青霉素等抗生素類藥物的廣泛使用，在過去的幾年里，諸如MRSA（耐甲氧西林金黃色葡萄球菌）和不動桿菌這樣的“超級病菌”經(jīng)過幾代進(jìn)化獲得了極強(qiáng)的耐藥性，已成為醫(yī)院內(nèi)主要的感染病原菌。本月初，日本帝京大學(xué)醫(yī)學(xué)部附屬醫(yī)院就曾宣布，去年以來僅該院就有46名患者在住院期間感染了對多數(shù)抗生素有耐藥性的不動桿菌，其中至少9名患者因此喪命。
為了弄清細(xì)菌耐藥性的獲得過程及具體機(jī)制，美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)的詹姆斯·柯林斯和同事以大腸桿菌和諾氟沙星為對象進(jìn)行了實驗。研究人員將大腸桿菌放置在一個可對環(huán)境進(jìn)行精確控制的反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)，而后不斷向其中增加諾氟沙星以觀察細(xì)菌的耐藥反應(yīng)。每隔一段時間，研究人員就從反應(yīng)器中分離出一小部分細(xì)菌樣本，測試抗生素能夠抑制細(xì)菌生長的最低劑量，即最低抑菌濃度（MIC）。一般來說，所需最低抑菌濃度高的菌群同樣也具有較強(qiáng)的抗生素耐藥性。
經(jīng)過一段時間的實驗后，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，除極個別情況外，幾乎所有小樣本的最低抑菌濃度都低于總樣本。在整個菌群中真正對諾氟沙星有耐藥性的細(xì)菌只有不到1%。細(xì)菌的防御機(jī)制為何會如此高效？這微不足道的1%是如何讓整個菌群都擁有耐藥性的？
誰為它們撐起了“保護(hù)傘”
為了破解這一謎團(tuán)，研究小組按最低抑菌濃度對小樣本菌群進(jìn)行了篩選，對數(shù)值較高的菌群的蛋白質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些菌群中色氨酸酶的含量極為豐富。色氨酸酶會分解成更小的氨基酸色氨酸，這個過程中的產(chǎn)物之一是一種名為“吲哚”的分子信號蛋白，具有耐藥性的大腸桿菌在一定的壓力下會釋放出這種物質(zhì)。科學(xué)家猜測，或許吲哚正是讓其他易感細(xì)菌產(chǎn)生耐藥反應(yīng)的“保護(hù)傘”。
在隨后的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，吲哚為易感細(xì)菌應(yīng)對諾氟沙星提供了兩種保護(hù)方式。一是通過一種網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)將諾氟沙星和易感細(xì)菌隔離起來，使其無法對細(xì)菌發(fā)動攻擊；二是通過其代謝物打開了細(xì)菌抵御自由基的通路，而自由基被認(rèn)為是多種抗生素破壞細(xì)菌DNA（脫氧核糖核酸）、蛋白質(zhì)和脂肪的主要“利器”，這樣，那些普通的易感細(xì)菌即便不通過進(jìn)化也能共享到耐藥細(xì)菌所具備的耐藥功能。因此對那些沒有耐藥性的細(xì)菌而言，吲哚可謂是其最直接的“救命恩人”，而也正因為吲哚的從中作梗，負(fù)有“殺敵重任”的抗生素才無功而返。
舍己為人也有生物學(xué)根據(jù)
鑒于發(fā)現(xiàn)了抗生素真正的“絆腳石”，幾輪“廝殺”之后，研究人員又重新開始對具有耐藥性的大腸桿菌進(jìn)行觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于產(chǎn)生吲哚會耗費大量的能量，與之前相比，耐藥性大腸桿菌的生長速度明顯放慢。這樣看來，具有耐藥性的細(xì)菌通過發(fā)送吲哚幫助其他細(xì)菌抵御抗生素似乎純屬“做好事”，它們自身并沒有從中獲得任何益處。
俗語講“人不為己，天誅地滅”，為什么不具備道德感的細(xì)菌會不惜犧牲自己的生存資源來保全整體呢？這不是與“適者生存”的進(jìn)化法則相違背嗎？
柯林斯和同事為我們揭曉了答案。其實，細(xì)菌的這種利他行為非但沒有違反進(jìn)化法則，更是遺傳規(guī)律使然。1964年英國生物學(xué)家漢密爾頓曾提出了著名的“親緣選擇理論”，該理論稱，親緣關(guān)系越近，動物彼此之間的合作傾向和利他行為就越強(qiáng)烈，反之亦然，其最終目的是達(dá)到“基因遺傳頻率的最大化”。
其實，不僅僅在人類和細(xì)菌中如此，在整個生物世界，親緣選擇都是一種非常普遍的行為模式，在父母與子女關(guān)系上表現(xiàn)得尤為明顯。有生物學(xué)家曾舉過一個例子：當(dāng)幼鳥受到攻擊時，大多數(shù)鳥父母們都會挺身而出，用偽裝受傷的方法把猛禽引向自己，而使子女獲得逃生機(jī)會。這個過程中，雖然成年鳥類極有可能喪生，但由于父母與子女之間有1/2的基因完全相同，從“基因遺傳頻率最大化”的角度看,只要能使兩只以上的雛鳥逃生，這種犧牲就是值得的。相對這個例子，那些不到1%的大腸桿菌所做出的犧牲更是微不足道。
雖然該研究有可能在遺傳生物學(xué)領(lǐng)域引發(fā)波瀾，但柯林斯相信，該項研究對人類公共健康而言或許更有意義。研究人員還發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌在應(yīng)對除諾氟沙星之外的其他抗生素攻擊時，也會產(chǎn)生吲哚。因此，它們推測，這或許是細(xì)菌應(yīng)對抗生素的一種普遍策略。
接下來，研究人員將對此進(jìn)行驗證，并將進(jìn)一步探討除吲哚外，是否還有其他物質(zhì)參與了細(xì)菌分享耐藥性的過程。而未來在抗生素方面的研究或許會更多集中在吲哚上，從而獲得阻斷細(xì)菌獲得耐藥性的途徑。
