科學(xué)家找到細菌在缺氧環(huán)境下還能維持生存的原因

美國哥倫比亞大學(xué)的生物學(xué)家找出了細菌能夠在擁擠又缺氧的環(huán)境下得到足夠氧氣、并供應(yīng)生長所需能量的原因，這些研究成果能夠解釋包含綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）在內(nèi)的特定菌種，能在生物膜等缺氧環(huán)境下生存并抵抗抗生素作用的原因。

這項研究由哥倫比亞大學(xué)生物學(xué)助理教授 Lars Dietrich 帶領(lǐng)的研究團隊所發(fā)布，Lars Dietrich 表示，囊腫性纖維化（Cystic Fibrosis，CF）是一種常見的遺傳性疾病，患者的癥狀多出現(xiàn)于肺部以及消化系統(tǒng)，而造成患者死亡的主要原因之一，就是綠膿桿菌生物膜的感染。因此，研究綠膿桿菌以及其他菌種在缺氧環(huán)境下的生存方式，能夠為發(fā)展治療方法提供基礎(chǔ)，幫助囊腫性纖維化患者以及免疫功能低下的患者。

細菌雖然是單細胞生物，但他們在環(huán)境中很少獨自生長，大多的細菌會群聚在一起，借由聚集的力量形成帶有組織特性的生物膜，做為支撐強化族群生長的平臺，在生物膜中生長的細菌對于抗生素的抗藥性大約可以提升至 1,000 倍。

在生物膜中的每一個細菌都需要從攝取的養(yǎng)分產(chǎn)生電子，將電子沿著細胞膜傳遞到能夠接觸氧的位置，借由這種機制釋放能量的過程，是生物維持生長代謝所需的必要步驟。但當(dāng)細菌形成生物膜之后，大量的細菌緊密堆疊所形成的擁擠環(huán)境，迫使每個細菌都需要競爭有限的養(yǎng)分與氧氣，以維持個體生存所需。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，包含綠膿桿菌在內(nèi)的某些種類細菌，在低氧的生物膜中能夠應(yīng)用不同的生存策略。舉例來說，生物膜中聚集的細菌，可以改變生物膜的整體結(jié)構(gòu)，提升表面積體積比（surface area-to-volume），讓生物膜內(nèi)能有更高比例的細菌表面接觸到氧氣。

CcoN4 能夠影響細菌的致病力

研究團隊探討了當(dāng)細菌處在生物膜型態(tài)時，綠膿桿菌的某個末端氧化酶（terminal oxidases）對代謝的重要性。在生物體內(nèi)所進行一系列將電子轉(zhuǎn)換為能量的步驟中，研究團隊也發(fā)現(xiàn)，其中關(guān)鍵步驟電子傳遞鏈機制在生物膜內(nèi)的細菌缺乏氧氣的情況下，扮演非常重要的角色。細菌在缺氧環(huán)境下，需要透過電子傳遞鏈一種末端氧化酶 CcoN4 的幫助，以獲取氧氣并正常生長，而缺乏 CcoN4 蛋白質(zhì)的細菌也無法存活，因此研究團隊認為 CcoN4 能夠影響細菌的致病力。在證實了末端氧化酶 CcoN4 對細菌在缺氧環(huán)境下的生長有重要影響后，研究團隊又進一步探討在先前已知綠膿桿菌制造能夠幫助其拓植（colonization）形成菌落的吩嗪類化合物（phenazines），在這些過程如何解決環(huán)境中的低氧問題，以及這些適應(yīng)低氧環(huán)境的策略，在綠膿桿菌造成感染的機制中所扮演的角色。研究團隊也發(fā)現(xiàn)，CcoN4 在生物膜中也能夠幫助吩嗪化合物發(fā)揮其作用。吩嗪雖然已經(jīng)在先前研究中，被證實能夠補足綠膿桿菌在缺氧生物膜環(huán)境下的代謝需求，但其中機制仍不清楚。Dietrich 表示，綠膿桿菌非常善于在缺氧環(huán)境下獲取氧氣，并對此發(fā)展出各種不同的策略。雖然科學(xué)家已經(jīng)知道吩嗪參與其中，但仍然不知道吩嗪在這個機制中如何幫助細菌。而現(xiàn)在研究團隊發(fā)現(xiàn)其中應(yīng)該和電子傳遞鏈有關(guān)，這項資訊對于了解細部過程是一個重要的連結(jié)。在先前，科學(xué)家雖然知道細菌在氧氣充足的環(huán)境中，能夠利用不同的途徑代謝能量，但一直以來都無法了解在氧氣難以獲得的條件下，細菌究竟如何能夠不受影響繼續(xù)生存。這項發(fā)現(xiàn)對于發(fā)展綠膿桿菌生物膜感染的治療方式是一步推進，了解綠膿桿菌的生存模式以及致病力是如何產(chǎn)生，能夠?qū)Σ』嫉尼t(yī)療方法提供基礎(chǔ)，研發(fā)新療法例如干擾末端氧化酶 CcoN4 的活性以及作用，或許就能夠降低細菌感染以及造成疾病的能力。這項研究的經(jīng)費來自美國國家衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health）以及國家科學(xué)基金會（National Science Foundation），研究成果也于日前發(fā)布于科學(xué)期刊《eLife》。Dietrich 表示，他們已經(jīng)對細菌如何在如此艱困環(huán)境中生存的原因有更多一層的了解，而現(xiàn)在研究團隊也正進一步研究其中的機制，并開始尋找干擾破壞該機制的方法。