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、無私奉獻都被認為是人類社會的傳統美德而被廣泛傳頌。而日前美國科學家在《自然》雜志上發表的一項研究卻發現，細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”經過幾代進化獲得了極強的耐藥性，已成為醫院內主要的感染病原菌。本月初，日本帝京大學醫學部附屬醫院就曾宣布，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。
為了弄清細菌耐藥性的獲得過程及具體機制，美國霍華德休斯醫學研究所(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行了實驗。研究人員將大腸桿菌放置在一個可對環境進行精確控制的反應器中進行培養，而后不斷向其中增加諾氟沙星以觀察細菌的耐藥反應。每隔一段時間，研究人員就從反應器中分離出一小部分細菌樣本，測試抗生素能夠抑制細菌生長的最低劑量，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的抗生素耐藥性。
經過一段時間的實驗后，研究人員驚奇地發現，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菌只有不到1%。細菌的防御機制為何會如此高效？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“保護傘”
為了破解這一謎團，研究小組按最低抑菌濃度對小樣本菌群進行了篩選，對數值較高的菌群的蛋白質進行了分析。結果發現，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。科學家猜測，或許吲哚正是讓其他易感細菌產生耐藥反應的“保護傘”。
在隨后的研究中，科學家們發現，吲哚為易感細菌應對諾氟沙星提供了兩種保護方式。一是通過一種網眼結構將諾氟沙星和易感細菌隔離起來，使其無法對細菌發動攻擊；二是通過其代謝物打開了細菌抵御自由基的通路，而自由基被認為是多種抗生素破壞細菌DNA（脫氧核糖核酸）、蛋白質和脂肪的主要“利器”，這樣，那些普通的易感細菌即便不通過進化也能共享到耐藥細菌所具備的耐藥功能。因此對那些沒有耐藥性的細菌而言，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，負有“殺敵重任”的抗生素才無功而返。
舍己為人也有生物學根據
鑒于發現了抗生素真正的“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行觀察。結果發現，由于產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，具有耐藥性的細菌通過發送吲哚幫助其他細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”的進化法則相違背嗎？
柯林斯和同事為我們揭曉了答案。其實，細菌的這種利他行為非但沒有違反進化法則，更是遺傳規律使然。1964年英國生物學家漢密爾頓曾提出了著名的“親緣選擇理論”，該理論稱，親緣關系越近，動物彼此之間的合作傾向和利他行為就越強烈，反之亦然，其最終目的是達到“基因遺傳頻率的最大化”。
其實，不僅僅在人類和細菌中如此，在整個生物世界，親緣選擇都是一種非常普遍的行為模式，在父母與子女關系上表現得尤為明顯。有生物學家曾舉過一個例子：當幼鳥受到攻擊時，大多數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領域引發波瀾，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。研究人員還發現，大腸桿菌在應對除諾氟沙星之外的其他抗生素攻擊時，也會產生吲哚。因此，它們推測，這或許是細菌應對抗生素的一種普遍策略。
接下來，研究人員將對此進行驗證，并將進一步探討除吲哚外，是否還有其他物質參與了細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，從而獲得阻斷細菌獲得耐藥性的途徑。
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