《科学大众》
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找到驯服细菌的密码
2015-04-21 15:39:11
找到驯服细菌的密码
□文/ 王文峰
我们看不到它们，它们却与我们“亲密接触”：一张流通着的纸币上至少有30 亿个细菌， 沙门氏菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、变形杆菌，以及肝炎病毒等，简直就是一艘超级“细菌航母”；我们随手抓起一把土壤，里面至少有10 亿个细菌；我们以为刷得洁白的卫生间一定很干净，事实上，无数的细菌正在角落里嬉闹繁殖。
最亲密的邻居
研究人员曾做过一个试验， 从流通市场换回的68 张一元旧币中，5 张纸币上的细菌足以让健康状况良好的人得病，59 张能让免疫系统受损者( 如艾滋病病毒携带者或癌症病人) 引起感染。“你在一天中能遇到多少细菌？”你可能回答不了这个问题。但人体的皮肤表层居住着数量庞大、种类繁多的细菌群落。
不要说在我们的皮肤和头发里的细菌部落，在身体内部也充斥着数以亿计的细菌。在我们的体内，有一个庞大而且与我们的健康密切相关的细菌世界。它们的数量是你身体细胞总数的10 倍还多。所以，它们对于人体的健康起着至关重要的作用。
在我们的内脏中就有近90 万亿个细菌在“安营扎寨”。我们之所以会长龋齿，不是真的有蛀虫，而是因为口腔中有各种细菌生存，它们在分解利用食物中的糖类时产生许多有机酸，会腐蚀牙齿，留下难看的小洞和黑斑。
人的大肠更是细菌的天堂， 因为那里有丰富的营养物质， 合适的酸碱度和温度。这些菌群通常对人体没有危害，相反它们还有一个文雅的名字—— “益生菌”（意指有利于生命）。这些益生菌约占体内细菌总量的80％，它们在自我繁殖生活的同时也为人体做出了许多贡献，它们提供维生素、叶酸及氨基酸等物质，帮助人体降解食物，参与食物的消化和吸收。
当然，绝大多数细菌是非致病的。通常它们和我们的身体融洽相处。但是，当致病菌进入我们体内或者体内细菌群落紊乱时，我们就有可能因不能抵抗它们而生病。
绝大多数细菌是非致病的
成败抗生素
感冒了，怎么办？或许你会说：“用些抗生素。”使用了抗生素，很快康复了。但是， 下一次感冒时， 它还会有用吗？在大多数时间里，我们和细菌和平共处，但有时这个动态的平衡也会突然被打破。在世界上的第一种抗生素——青霉素被发现之前，每年有数以百万计的人死于某种在今天可以被轻易治愈的传染病。青霉素的发现是人类与疾病斗争史上的一座丰碑，步入抗生素时代之后，人类的平均寿命增加了15 年。
有了各类抗生素，许多瘟疫已经被我们消灭，我们似乎可以陶醉在这场战斗的胜利中了。然而，时至今日，虽然我们已经有了更多更好的抗生素，但越来越多的可怕疾病随之而来：从“世纪瘟疫”艾滋病到非典，还有疯牛病和禽流感，人类非但没有将这些微小的生物统统消灭，反而使更多更难对付的致病菌出现。原因何在？由于滥用抗生素，这些细菌因本身的适应和保护机制，很快发生了变异，具有越来越强的耐药性，人类的免疫能力却越来越低。人类与这些致病菌的战斗陷入一个怪圈： 用更强效的抗生素，人类取得了短暂的胜利，然后致病菌迅速变异并产生抗药性，然后再次感染人类。
由于滥用抗生素，细菌具有越来越强的耐药性
开启编码基因
科学家已经意识到，要战胜细菌不能简单地依靠抗生素。为了寻找对付这些微小生命的新方法，科学家首先要做的就是破译细菌之间的“语言”。
细菌通过释放化学信号和同伴进行交流
细菌在人体内横行肆虐， 并不是散兵游勇似的单个作战， 因为单个细胞很容易被人体自身的免疫系统所杀死。与人类的活动相似，一些细菌在它们开始某种活动前需要具备一定的“法定人数”（即需要有一定数量的个体存在），科学家将它们对这种状态的感应叫做“群体感应”。细菌只有在感受到周围同类的相当数量之后， 才会做出是“养精蓄锐”还是“蠢蠢欲动”的决定。当细菌的数量达到某种程度时，破坏活动就开始了。例如沙门氏菌， 要等到集结成群后，才释放足够的毒素致使其宿主患病。
那么，细菌是如何感应这种状态并彼此沟通行动的呢？ 细菌界也会使用各种“语言”， 有些“语言”已经被科学家成功破译。自然情况下，细菌通过释放化学信号和同伴进行交流。它们向外分泌出某种化学物质，以霍乱弧菌为例，每个细菌能释放出一种小分子，每个细菌表面都有受体蛋白，能够感受这种分子。当分子的数量达到特定的水平时，受体蛋白发生变化，使细菌感知它们有了足够的“人数”，继而开始发生变化：开启编码基因， 合成并释放毒素刺激宿主，导致呕吐和痢疾，排出更多的致病菌。
每种细菌都有自己的秘密“语言”，有趣的是，大多数细菌拥有共同的“方言”：化学信号。在所有的细菌中，化学信号均起源于同一个基因， 它在“群体感应”中被作为信号语言使用。研究人员将大肠杆菌与一种会发光的海洋细菌混合在一起，结果发现，任意一种细菌的化学信号都可以调节这种海洋细菌发光的强弱， 并打开大肠杆菌中的“法定人数”感应基因。
科学家还发现了一些具有特殊指令的细菌“语言”：在生存压力增大时，大肠杆菌会通过各种竞争生存下去，其中包括分泌一种叫做“胞外死亡因子”的物质，这种物质能使细菌自杀死亡。细胞死亡对单个细菌是不利的，但通过“胞外死亡因子” 作用于一个群体， 就能使部分细菌生存下来。
每种细菌都有自己的秘密“语言”
驯服细菌
细菌的这种特殊的语言交流方式，给科学家带来巨大的启示：跟细菌聊聊天，让它们乖乖听话！ 既然细菌需要感知一定数量的同类存在才会行动，那么切断它们之间的联络网，让那些“化学语言”无法沟通，或者降低“化学语言” 的浓度，使之达不到开启细菌反应的浓度，使细菌的破坏活动无法进行。这是一种完全不同于抗生素的途径，科学家认为它不会带来细菌耐药性的增强。此外，我们还可以利用特殊的“语言”向细菌“发号施令”，比如利用“胞外死亡因子” 向致病菌下达“自杀”指令， 让其自我消灭。
科学家当然不满足于利用现成的细菌“语言”，他们希望通过遗传改造让细菌用人类制造的“语言”进行彼此间的交流。将一些特殊的基因加入致病菌的体内，把这些经过改造的致病菌混入到同种细菌的自然菌群中，然后提供某种特定的化学信号， 触发改造过的细菌做出应答，被改造过的细菌就能够产生毒性物质将细菌杀死，或者是向同类发出错误的指令。研究人员相信，我们可以征服更多的致病菌。也许有一天，可以跟所有的细菌“聊天”。
（责任编辑：曹伟）