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生物多样性会影响细菌的“抵抗力”?这或许为细菌耐药性提供了答案

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在《物种来源》的终究一段,查尔斯·达尔文让读者“幻想一个杂乱的河边,上面种满了各式各样的植物,鸟儿在灌木丛中歌唱,各种昆虫飞来飞去,还有虫子在湿润的泥土中匍匐。”他接着说,这些植物、鸟类、昆虫和蠕虫都是从它们所在的杂乱生态环境中进化而来的。假如温度更高一点,水更酸一点,或许某种草消失了的话,那么终究构成的杂乱河边或许会十分不同。

研讨人员通常会逐个梳理出每个环境要素对进化的影响。可是,一个环境的悉数生物多样性(整个错综杂乱的河边自身)也或许会对一个物种的进化发作至关重要的影响。

最近,《天然》杂志宣布的一篇论文发现,当一种细菌居住在一种十分简略的生态环境里的时分,即便这种简略环境只包含几个其他品种的微生物,它针对一种掠夺性噬菌体病毒进化出的防卫战略,和只与噬菌体病毒独自日子的时分所进化出的防卫战略也十分不同。英国谢菲尔德大学的进化生物学家迈克尔·布罗克赫斯特(Michael Brockhurst)没有参加这项研讨,但他说,这项研讨“正在把这些主意扩展到整个微生物群落,也便是细菌与许多其他物种共存的群落环境。”

这一发现不只提升了生物多样性自身作为一种进化要素的价值,并且也标明,物种研讨在试验室阻隔环境中得出的一些关于微生物行为和才能的前期定论或许是严峻片面的。这也给咱们此前计划用于抵挡细菌耐药性的战略敲响了警钟。

不惜一切手法进行反抗

科学家们常常运用细菌和吞噬细菌的噬菌体病毒来了解一同进化这个进程。于是乎,细菌和噬菌体在可控和可测量的试验室环境里不断地演出快速进化抵触。

很久以前,细菌(或它们的远古细菌表亲)就现已进化出了一套奇妙的体系来抵挡病毒:那便是一种名为CRISPR的基因组特征,CRISPR在曩昔十年中作为生物技术的东西现已十分有名。CRISPR就像一个习惯性免疫体系;它能使触摸过病毒的细菌将这种感染的遗传“回忆”传给子孙,这样细菌子孙就能够更好地抵挡重复感染。这个体系的作用十分好,估量有一半的细菌都运用CRISPR。

可是令许多微生物学家感到困惑的是,为什么有些细菌运用CRISPR,而有些不必呢。有CRISPR机制的细菌简直随机地分布在整个细菌王国傍边,而即便是基因组中有CRISPR的细菌也不会总是依靠它。

研讨人员现已发现了许多种细菌用来击溃噬菌体侵略的其他体系。但在试验室研讨中,细菌首要发展出根据细胞外表的噬菌体抗性。这种骤变会改动细菌细胞外表的受体分子,使噬菌体无法辨认和侵略细菌。

这种战略类似于关上一扇门,顺手把钥匙丢掉:它为细菌供给了肯定的安全,使其免受病毒感染,但这种维护是有价值的,由于它也会损坏受体本来供给的养分吸收、废物处理、通讯使命等其他细胞功用,这会对细胞的健康形成继续的危害。

相比之下,在细胞遭到病毒感染期间,CRISPR只会在细胞活泼时耗费细胞资源。但即便是这样,CRISPR也代表了一个危险更大的赌局:在噬菌体进入细胞之前,它不会起作用,这意味着病毒有或许会侵染细菌。并且CRISPR不只进犯病毒DNA,它还会避免细菌从其他微生物那里获取有利基因,比方获取微生物的抗生素耐药性。

那终究是什么要素影响着价值和健康之间的权衡?在曩昔的六年里,英国埃克塞特大学的进化生态学家Edze Westra领导了一个研讨小组来寻觅这个问题的答案。在2015年,他们发现养分物质的多少和噬菌体的密度会影响假单胞菌挑选运用哪种反抗体系。在资源匮乏的环境中,细胞外表受体的改动会带来更多的担负,因而CRISPR成为了更好的挑选。而当资源更丰厚、细菌成长得更密布、噬菌体流行病变得更频频的时分,细菌要将自己彻底与感染阻隔的话就面临着更大的挑选压力,因而它们会封闭细菌外表受体,获得根据细胞外表的反抗性。

这就解说了为什么根据细菌细胞外表的抗性在试验室培育环境中这么遍及了。在养分丰厚的试管中成长的话,Westra说:“这些细菌相当于在休假,它们玩得可快乐了。”

不过,这些规矩并不是肯定的。在天然的高养分环境中也有许多的细菌运用CRISPR,而在天然的低养分环境中有许多的细菌不运用CRISPR。Westra说:“这些现象处处都是,这意味着咱们或许还遗漏了一些东西。”

生物多样性是怎样重塑这场战役的?

后来,Westra的一位研讨生Ellinor Opsal提出了另一个潜在的要素:细菌日子环境的生物群落多样性。这一要素的研讨难度更大,但科学家此前观察到,这个要素或许会影响细菌的噬菌体免疫特性。

例如,在2005年,德克萨斯大学奥斯汀分校的生物学家James Bull和他其时的研讨生William Harcombe(现在在明尼苏达大学)发现,当存在第二种细菌时,大肠杆菌就不会对噬菌体进化出免疫力。类似地,加州大学伯克利分校的进化生物学家Britt Koskella和她的研讨生Catherine Hernandez上一年也陈述说,虽然假单胞菌在试管环境中总是会进化出免疫力,但寄生在宿主(植物)上的假单胞菌却没有进化出噬菌体抗性。

那么除了影响抗体是否会发作之外,环境多样性还会不会影响这种抗性的性质呢?

为了找到答案,Westra的团队进行了一组新的试验:他们没有改动与噬菌体一同成长的假单胞菌的养分条件,而是增加了别的三种细菌——这些细菌会与假单胞菌竞赛资源,但却不是噬菌体的方针。

假如只要假单胞菌一种细菌的话,假单胞菌通常会发作根据细菌细胞外表的骤变抗体。但在有竞赛细菌的情况下,它们更有或许会运用CRISPR。进一步的研讨标明,更杂乱的群落动态现已改动了细菌的习惯本钱:细菌再也担负不起改动受体带来的成果了,由于它们不只要在噬菌体的侵染中生计下来,还必需要在养分竞赛中打败周围的其他细菌。

Westra团队的这些成果与噬菌体能够发作更多细菌群落多样性的前期发现相吻合。Koskella说:“现在,这种多样性实际上经过影响噬菌体抗性而反应到噬菌体上来。很快乐看到这种影响又回到了原点。”她弥补说,经过了解这种反应循环,“咱们能够开端研讨一些更遍及的问题,比方噬菌体在群落环境中的影响。”

首要,细菌向以CRISPR为根底的噬菌体抗体改变还有另一个更广泛的影响。当Westra的团队在蛾类幼虫宿主中培育假单胞菌时,他们发现选用细菌外表抗性的细菌毒性较弱,杀死幼虫的速度远慢于选用CRISPR体系的细菌。

这些成果对噬菌体医治有直接的含义。噬菌体医治是一种对立细菌感染的办法,这种办法正遭到研讨人员越来越多的重视。耶鲁大学生态学家和进化生物学家Paul Turner等科学家正在寻觅能诱导方针细菌的外表受体发作骤变的噬菌体,使方针细菌的毒性下降或更简略遭到抗生素的影响。可是,Turner说,假如细菌能够挑选根据CRISPR的抗性进化的话,这种战略“或许并不总是能够在更杂乱的群落中起作用。”(他供认,这在噬菌体医治试验中还没有成为一个问题)。

Westra的团队和其他团队正一同在其他细菌体系、抗体和环境和中研讨生物多样性的影响。他们还在探究不同类型的微生物多样性会怎么影响细菌噬菌体抗体的进化。与此同时,Harcombe和他的搭档们则正在研讨共生细菌群落的进化进程,比方人类肠道内的微生物群落,在这些群落中,各种细菌为了生计相互合作,相互依靠,而不是相互竞赛。

另一些人则着眼于噬菌体抗性之外的进化特征。在8月宣布的一篇论文中,一组研讨人员发现,更高的生物多样性阻挠了某些抗生素抗性基因的传达。

但或许最重要的是这些发现让科学家们了解到,假如他们想试验室试验获得打破的话,试验究竟需求怎么样的杂乱程度。Westra说:“咱们对细菌和噬菌体,以及它们相互作用的了解,许多都来自这些十分简略的试管试验。假如咱们开端在这些试验中引进一些实在的生态杂乱性的话,这些常识就不成立了。因而,咱们必需要考虑到实际环境。”(即便这要困难得多。)

Harcombe说:“在咱们尽力测验操控微生物群落,在不断改变的国际中测验操控生态体系的时分,这将会变得十分要害。”

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