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【bio】“吸血鬼”细菌——“我是活着的战士”

已有 5937 次阅读 2011-11-2 03:06 |系统分类:论文交流| style, initial, 吸血鬼


 今天一边目睹了google reader的恶心UI变化,同时也发现了一个挺好玩的研究——“吸血鬼”细菌1】。当看见 Pseudomonas aeruginosa(绿脓假单胞菌)时本人眼前一亮,而当antibotic、disease、lung infection等字眼同时出现时,我知道,这又是一项“舒肤佳杀菌、保护人类健康”的研究。所针对的敌人 Pseudomonas aeruginosa,正与2011年8月份在nature、science吵的风风火火的某个研究相同。 这个8月份的研究是通过合成生物学手段、利用种內斗争关系让普通大肠杆菌拥有杀死 Pseudomonas aeruginosa的能力如果感兴趣可以参考【BIO】包治百病的“药物”出现了吗?(下))。
 【bio】“吸血鬼”细菌——“我是活着的战士” - Puriney - Puriney的记事簿
 这次“吸血鬼”细菌的作者自己、以及民科们【2】,给本研究的噱头是:“Fighting Fire With Fire”(有人翻译为以毒攻毒)。但相比于我推荐的研究,我不得不说,“吸血鬼”细菌的以毒攻毒完全是小巫见大巫。

不啰唆, 回到正文【3】所谓“吸血鬼”细菌,本质而言,利用的是细菌的种间关系,即细菌灰太狼的生存方式是专门捕食细菌喜羊羊,细菌Micavibrio aeruginosavorus专门捕食 Pseudomonas aeruginosa。 

(图中黄色即狩猎者Micavibrio aeruginosavorus,紫色即猎物Pseudomonas aeruginosa,周围灰色则是已经死亡的Pseudomonas aeruginosa;右上角是Micavibrio aeruginosavorus的基因组图)




 【bio】“吸血鬼”细菌——“我是活着的战士” - Puriney - Puriney的记事簿
我是吸血鬼
要说细菌界的“吸血”或者捕食方式,大致分为两种。
1. Facultative Predator(兼性捕食)。顾名思义,就是自己也可以自给自足、或者可以从环境里获取能源来生存,当然也可以选择捕食。比如Myxobacteria,它们捕食的方式是释放水解酶( hydrolytic enzyme)来消化存在其周围的细菌。可以类比为以眼杀人的樱木之气场。

2. Obligate Predatory(营捕食……么?我只能从营寄生来引申了)。这类捕食者(比如Bdellovibrio)与猎物发生亲密地、不可逆转的接触才可以捕获猎物,可以类比为奔跑的猎豹在环境中追逐小鹿们并啃上了才能饱餐一顿。


我是吸血鬼,嗯,专业的
回到狩猎者Micavibrio aeruginosavorus,这是专业的吸血鬼。它依附在Pseudomonas aeruginosa的细胞壁表面,以一种类似噬菌体的方式“榨取”猎物的精华。

仔细思考,凭什么判定狩猎者Micavibrio aeruginosavorus是专业捕食,既不是兼性捕食、也不是寄生?研究者主要是通过排除法来确定的。

1. 排除寄生角色
测序结果显示,狩猎者Micavibrio aeruginosavorus存在广泛健全的代谢通路。细胞壁、脂多糖(LPS)合成通路、糖酵解、三羧酸循环、电子递氢链、ATP合成等等一应俱全。不同于病毒这种只有核酸的寄生生物(当然病毒是否是生命一直是微生物课上讨论的话题),主角Micavibrio aeruginosavorus必须不是寄生角色。

2. 排除兼性捕食
测序结果显示,狩猎者Micavibrio aeruginosavorus虽然具备上述代谢通路,但是对以下7种氨基酸(Alanine丙氨酸, Arginine精氨酸, Histidine组氨酸, Isoleucine异亮氨酸, Methionine甲硫氨酸, Tryptophan色氨酸 and Valine缬氨酸)的代谢却是零、是空白。

如果是兼性捕食者,对于自己不能合成的,只需要具备从环境中转运这些能源的能力即可。但是悲催且惊讶的是,我们的主角Micavibrio aeruginosavorus没有任何一种氨基酸、多肽的转运载体(transporter)。 要生存,狩猎者Micavibrio aeruginosavorus想必只能靠吃别人了。

另外还可以佐证的一点是,捕猎者Micavibrio aeruginosavorus不可以获得纯培养,也就是说提供温床、包吃包住,大哥Micavibrio aeruginosavorus仍然养不活。不是伦家架子大,而是伦家的专业吸血鬼的生活习性根本不可改变。事实上,这种现象还是非常普遍的,环境中有多少真实存在的微生物,但是你就是无法获得它的纯培养,颇似微生物界的“暗物质” 。如何研究它们也是挺好玩的话题。(如果感兴趣可以参考【bio】开启微生物“暗物质”大门)  


我有獠牙我吸血
和吸血鬼一样,狩猎者Micavibrio aeruginosavorus有自己的獠牙——RTX toxin以及hemolysin-related protein。

第一步,打洞
RTX toxin【4】其实研究还挺明白的,广泛存在于革兰氏阴性菌,主要起着开洞的作用。一旦依附在猎物,就对其细胞膜开洞,进而造成猎物细胞的裂解。资源就释放了出来。

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 第二步,烹调并开吃
都知道溶红血球素(hemolysin)【5】,而狩猎者Micavibrio aeruginosavorus所分泌的hemolysin-related protein功能与之类似(当然也会有水解酶辅助),来消化猎物细胞裂解物,烹饪之。

 我之所以说第二步是“烹饪并开吃”,而不是单独把“开吃”分到第三步,也是有原因的。毕竟这些“消化酶”,不能平白无故地跑到自己细胞外边。开吃的问题,涉及到细菌的Type_I_secretion_system【6】,如左图。非常意思,负责组装Type_I_secretion_system的各类通道蛋白和hemolysin-related protein是在一个操纵子(operon)里的,细菌在合成“消化酶”开始烹饪的同时,立刻就合成了通道蛋白,张开了自己的嘴。如此一来,一边烹饪一边吃,一定程度上不会造成“消化酶”在体内自噬而自弑。我有“自噬”可一点不自豪哇。


我有姿势我自豪
有时我不得不感叹单细胞生物也是非常聪明的,Micavibrio aeruginosavorus在捕食状态时,负责合成的鞭毛和纤毛的基因高表达着,从而获得运动能力;而在吸血状态时,这些基因就关闭了。(题外话,诸公可想过细菌的移动是否人为可控?事实上2008年就有人做了,改日再po,在此埋坑)


开心吐槽研究策略
按照一贯的行文方式,总是需要吐槽一下的。不愿看的到此就可以ctrl+w了。
1. 原作者自己学校的通告里有这么句话【1】

"We used cutting-edge genomic technology in our lab to decode this bacterium's genome," Wu said.

但是看看作者自己(图中左边)的照片,我特意找到了他们学校通告里高分辨率的照片,就是要请诸公看一下三个数字——454…………
cutting-edge……嗯……真棒……当然啦,毕竟完整测序=测序+序列组装,所以如果我单纯吐槽454必须是愚蠢的。研究者的策略是454使用3Kbp paired-end来测,组装用的是GS De Novo Assembler (Newbler)。不过我赶脚吧,基于PE关系来测序,怎么说呢?我还是倾向于de novo sequencing。
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2. 某些科普网站的通告【2】是这样子的:

近日一项研究表明,一种类似“吸血鬼”的细菌(可转移到其它特定细菌上,包括某些人类病原体)可用作许多感染性疾病的活体抗生素

“近日”,是多少日?事实上,据我初步搜索的结果,2011年1月11日就有相关报道【7】,提出了狩猎者Micavibrio aeruginosavorus可以成为潜在的医疗手段。而提出者,正是科普网站通告里的“一项研究”的第二作者,Daniel E Kadouri。他察觉到,不仅仅Micavibrio aeruginosavorus可以狩猎,还有Bdellovibrio bacteriovorus也可以狩猎。而他们的食谱,也不受限于 Pseudomonas aeruginosa,可以有Klebsiella pneumoniae(克雷白氏肺炎菌)、也可以有 Acinetobacter(不动杆菌属,容易耐药从而造成伤口难以治愈)。只是在机理上并不明了。

所以从2011年1月11日到2011年11月1日(这样一个特殊的循环),这是科普者对“近日”一概念的理解。只能赞叹汉语言的博大精深。事实上我发现这些也只是因为我不知道Micavibrio aeruginosavorus该怎么翻译,结果没想到初步搜索一下,才知道了原来这项研究并不算新颖。真不知道某些科普者也不去搜索一下、多补充点资料?

3. 为什么idea不新颖甚至是雷同的项目却可以再发文章?

个人有个普遍思考的问题,一篇paper凭什么发表?私以为这篇paper显然是因为技术手段的更新,揭示了其捕食现象的一些机理。比如凭什么认证它是捕食者、它是怎么捕食的?出身Department of Oral Biology的第二作者Daniel E Kadouri,想必无法给与太多深刻的机理研究。而真正让这个想法绽放的,真正这个想法得到大众赞赏的,不可否认,正是测序(也许是第一作者的财力物力)。是基因组测序、转录组测序初步解释了捕食现象的机理。

我猜想,完整的故事是这样子的:
首先可能在2010年或者更早,出身于Department of Oral Biology的第二作者Daniel E Kadouri,察觉到了这个捕食现象,觉得很赞,可以扯“活体抗生素”的原始想法,并且开始研究(见2011年1月11日的报导);
紧接着,他深入研究并成功于2011年4月在American Society for Microbiology发表了成果【8】,不过我初步看了看这个paper,不禁唏嘘,也仅仅是停留在细菌结构方面,还是比较肤浅;
最后有一天处女大学的Martin Wu带着他的学生Zhang Wang对Daniel说,“嗯,这个现象很好玩,不管这么多,测它一序再说”。于是……就有了这篇paper。

另外,为什么这么多细菌都是涉及肺之类的,一窥第二作者Daniel E Kadour的出身背景就知道,Department of Oral Biology。idea是他的,当然素材也是他常打交道的。

无奈无奈,真正给力的测序没有得到太多光彩,没有得到科普网站的宣扬。当然这完全不能责怪科普网站,这是个残酷的事实:
技术服务于科学、科学需要技术服务。

4. 不是专门研究微生物的我写这个真的是鸭梨巨大,言多必失,故欢迎更正我、吐槽我
==吐槽完毕==


==end && reference==

[1] Fighting Fire With Fire: 'Vampire' Bacteria Has Potential as Living Antibiotic
[2] 以毒攻毒: “吸血鬼”细菌可用作活体抗生素
[3] Zhang Wang, Daniel E Kadouri, Martin Wu. Genomic insights into an obligate epibiotic bacterial predator: Micavibrio aeruginosavorus ARL-13. BMC Genomics, 2011; 12 (1): 453 DOI: 10.1186/1471-2164-12-453
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/RTX_toxin
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Hemolysin
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Secretion#Type_I_secretion_system_.28T1SS_or_TOSS.29
[7] Predator microbes may work against antibiotic resistant disease-causing bacteria: Study
[8] Aliza Dashiff, Thomas G. Keeling,, and Daniel E. Kadour. Inhibition of Predation by Bdellovibrio bacteriovorus and Micavibrio aeruginosavorus via Host Cell Metabolic Activity in the Presence of Carbohydrates. American Society for Microbiology.April 2011, p. 2224-2231, Vol. 77, No. 7 . doi:10.1128/AEM.02565-10



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