科學家找到細菌在缺氧環境下還能維持生存的原因,有助發展新療法

作者 | 發布日期 2017 年 12 月 10 日 12:00 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly

美國哥倫比亞大學的生物學家找出了細菌能夠在擁擠又缺氧的環境下得到足夠氧氣、並供應生長所需能量的原因,這些研究成果能夠解釋包含綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)在內的特定菌種,能在生物膜等缺氧環境下生存並抵抗抗生素作用的原因。



這項研究由哥倫比亞大學生物學助理教授 Lars Dietrich 帶領的研究團隊所發表,Lars Dietrich 表示,囊腫性纖維化(Cystic Fibrosis,CF)是一種常見的遺傳性疾病,患者的症狀多出現於肺部以及消化系統,而造成患者死亡的主要原因之一,就是綠膿桿菌生物膜的感染。因此,研究綠膿桿菌以及其他菌種在缺氧環境下的生存方式,能夠為發展治療方法提供基礎,幫助囊腫性纖維化患者以及免疫功能低下的患者。

細菌雖然是單細胞生物,但他們在環境中很少獨自生長,大多的細菌會群聚在一起,藉由聚集的力量形成帶有組織特性的生物膜,做為支撐強化族群生長的平台,在生物膜中生長的細菌對於抗生素的抗藥性大約可以提升至 1,000 倍。

在生物膜中的每一個細菌都需要從攝取的養分產生電子,將電子沿著細胞膜傳遞到能夠接觸氧的位置,藉由這種機制釋放能量的過程,是生物維持生長代謝所需的必要步驟。但當細菌形成生物膜之後,大量的細菌緊密堆疊所形成的擁擠環境,迫使每個細菌都需要競爭有限的養分與氧氣,以維持個體生存所需。

研究團隊發現,包含綠膿桿菌在內的某些種類細菌,在低氧的生物膜中能夠應用不同的生存策略。舉例來說,生物膜中聚集的細菌,可以改變生物膜的整體結構,提升表面積體積比(surface area-to-volume),讓生物膜內能有更高比例的細菌表面接觸到氧氣。

CcoN4 能夠影響細菌的致病力

研究團隊探討了當細菌處在生物膜型態時,綠膿桿菌的某個末端氧化酶(terminal oxidases)對代謝的重要性。在生物體內所進行一系列將電子轉換為能量的步驟中,研究團隊也發現,其中關鍵步驟電子傳遞鏈機制在生物膜內的細菌缺乏氧氣的情況下,扮演非常重要的角色。細菌在缺氧環境下,需要透過電子傳遞鏈一種末端氧化酶 CcoN4 的幫助,以獲取氧氣並正常生長,而缺乏 CcoN4 蛋白質的細菌也無法存活,因此研究團隊認為 CcoN4 能夠影響細菌的致病力。

在證實了末端氧化酶 CcoN4 對細菌在缺氧環境下的生長有重要影響後,研究團隊又進一步探討在先前已知綠膿桿菌製造能夠幫助其拓植(colonization)形成菌落的吩嗪類化合物(phenazines),在這些過程如何解決環境中的低氧問題,以及這些適應低氧環境的策略,在綠膿桿菌造成感染的機制中所扮演的角色。研究團隊也發現,CcoN4 在生物膜中也能夠幫助吩嗪化合物發揮其作用。吩嗪雖然已經在先前研究中,被證實能夠補足綠膿桿菌在缺氧生物膜環境下的代謝需求,但其中機制仍不清楚。

Dietrich 表示,綠膿桿菌非常善於在缺氧環境下獲取氧氣,並對此發展出各種不同的策略。雖然科學家已經知道吩嗪參與其中,但仍然不知道吩嗪在這個機制中如何幫助細菌。而現在研究團隊發現其中應該和電子傳遞鏈有關,這項資訊對於了解細部過程是一個重要的連結。

在先前,科學家雖然知道細菌在氧氣充足的環境中,能夠利用不同的途徑代謝能量,但一直以來都無法了解在氧氣難以獲得的條件下,細菌究竟如何能夠不受影響繼續生存。這項發現對於發展綠膿桿菌生物膜感染的治療方式是一步推進,了解綠膿桿菌的生存模式以及致病力是如何產生,能夠對病患的醫療方法提供基礎,研發新療法例如干擾末端氧化酶 CcoN4 的活性以及作用,或許就能夠降低細菌感染以及造成疾病的能力。

這項研究的經費來自美國國家衛生研究院(National Institutes of Health)以及國家科學基金會(National Science Foundation),研究成果也於日前發表於科學期刊《eLife》。

Dietrich 表示,他們已經對細菌如何在如此艱困環境中生存的原因有更多一層的了解,而現在研究團隊也正進一步研究其中的機制,並開始尋找干擾破壞該機制的方法。

(首圖為示意圖,來源:shutterstock)