會偷聽細菌「對話」,這種噬菌體病毒未來可能成為人類幫手

作者 | 發布日期 2018 年 12 月 23 日 22:47 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly


透過釋放信號分子監測周遭環境中同伴數量的變化,細菌能夠在適當的時機協調群體行為並發起攻擊,這種被稱為「群體感應」(quorum sensing)的現象自 1990 年被發現以來,生物學家一直都在持續進行研究,然而普林斯頓大學(Princeton University)研究人員最近發現,不只是人類研究者試圖偷聽細菌間的對話,一種以細菌為宿主的病毒也會竊聽這些資訊來達到自己的目標。

群體感應已經是一個革命性的概念。在這十幾年間隨著持續發現其中的細節,研究人員都對像細菌這樣的簡單生物可以進行溝通協調感到震驚,但病毒又完全是另外一回事。與細菌不同,病毒甚至更為簡單,嚴格來說甚至不算生命,因此能夠攔截並解釋相同的分子訊息的想法簡直就像是「石頭可竊聽鳥類說話」一樣不尋常。

但普林斯頓大學生物學家 Bonnie Bassler 和 Justin Silpe 卻確實在一種噬菌體(phage)上發現了這樣的能耐。

這項發現與 Bassler 多年前針對霍亂弧菌(Vibrio cholerae)進行的群體感應研究有關。當時團隊在霍亂弧菌中發現了一種新的群體感應系統,在感染宿主後,霍亂弧菌會將分泌的 DPO 自體誘導物(autoinducer)飄散出去,隨著同伴數量增多、DPO 分子會變得更加集中並降落在負責檢測的 VqmA 蛋白質探測器上。

當 VqmA 檢測到 DPO 處於高水平,便會觸發細菌體內一系列重新編程的基因,將感染的能力關閉、開啟分散的能力,透過這樣的群體感應,在時機成熟時大量離開宿主並感染下一個目標,而這也是霍亂弧菌的感染經常難以發現的原因。

而在透過網路數據庫搜尋時,Silpe 發現許多與弧菌相關的細菌也有類似 VqmA 的探測器,但無獨有偶的,台灣研究人員 10 年前在海洋弧菌中找到名為 VP882 的噬菌體似乎也有著類似的表達。

所謂的噬菌體,指的是以細菌為宿主的病毒,在感染宿主細菌後,噬菌體通常會採取兩種行動:潛伏或殺戮,如果它選擇後者,便意味著殺死宿主讓大量的後代病毒爆發準備感染其他對象,但如果在殺死宿主後周遭沒有適當的目標,這些病毒將走投無路。

Silpe 曾一度質疑 VqmA 在病毒上的作用,但在向發現者取得樣本並進行詳細的實驗觀察後,Silpe 證實 VP882 確實可以檢測出細菌釋放的 DPO 信號,當它偷聽到周遭有很多宿主同伴時,便會從原先的潛伏狀態轉為下手殺死宿主細菌,讓後代能夠找到更多的感染來源。

Bassler 向大西洋週刊(The Atlantic)表示,這種竊聽行為如此狡猾,過去從未有人發現過,而其中的邏輯其實也十分有趣。「在高密度情況下,寄生生活的霍亂弧菌會想要離開宿主進入下一個目標,而在高密度情況時,寄生在寄生的霍亂弧菌中的病毒也想要離開宿主進入下一個目標。它們在用同樣的資訊準備做同樣的事。」

VP882 所做的不僅僅是竊聽。Silpe 發現它們自有的類 VqmA 探測器也可以啟動宿主細菌相同的遺傳程序,迫使其分散,或許就與細菌的打算相同,VP882 不僅確保後代有足夠的宿主感染,同樣也確保這些宿主廣泛傳播。

幾十年來,科學家一直試圖用噬菌體來治療細菌性疾病,隨著許多細菌進化到抵抗傳統抗生素,運用噬菌體治療的概念也就變得特別有趣,然而因為噬菌體選擇宿主往往非常挑剔,研究人員必須為想要治療的每種細菌感染找到不同的病毒。

▲ 含有竊聽病毒蛋白質探測器(紅色標記)的大腸桿菌,圖左為潛伏狀態,圖右為感測到適當時機轉向殺戮模式。

而 Silpe 的研究則提供了另一種策略。與大多數僅限於特定宿主的噬菌體不同,VP882 可以感染多種細菌,雖然只會竊聽弧菌(Vibrios)交換的訊息分子,但 Silpe 已試著將其設計來竊聽其他細菌,像是沙門氏菌和大腸桿菌。這種病毒現在就像一個可編程的刺客,可以設定來追踪特定目標,「這就像演化帶給我們的禮物。」

Bassler 強調,這還稱不上是一種噬菌體療法,團隊目前只測試了在試管中編程的噬菌體,同樣的方式是否能在臨床中起作用得由其他研究團隊找出解答。團隊目前更感興趣的是了解噬菌體如何在自然界中發揮作用,他們認為研究者長期以來低估了這些病毒。

「這些病毒還都是被歸類為『無生命』的,古老的溝通方式還是有些美好之處。」

(圖片來源:Princeton University