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细菌生理及功能研究的新进展

发布人:  发布时间:2020年04月30日 12:51:49  浏览量:

1.幽门螺旋杆菌生理机制研究的新发现

⑴发现幽门螺旋杆菌可变形使不同血型者受感染。

20047月,由日本、美国等国专家组成的联合研究小组,在《科学》杂志上发表文章说,导致胃溃疡元凶的幽门螺旋杆菌,具有很强的适应性,它在感染人体时,可根据人的血型改变自身蛋白质的形态,在人的胃黏膜上安家落户。

研究人员发现,血型不同的人,其胃黏膜细胞表面的糖链的类型也不一样,幽门螺旋杆菌从自身表面伸出的蛋白质“手”能与不同的糖链结合,造成人体感染幽门螺旋杆菌。

研究小组从日本和南美洲、欧洲部分国家的胃溃疡患者胃部,采集了幽门螺旋杆菌,并研究这些杆菌和被感染者血型的关系。

结果发现,在O型血居多的南美秘鲁人身上采集的幽门螺旋杆菌,具有特定形态的蛋白质,只能与O型血人体的胃黏膜细胞糖链结合,而从部分日本和欧洲人身上采集的幽门螺旋杆菌有95%,具有“万能型”蛋白质“手”,能“握”住任何血型者的胃黏膜细胞糖链。

研究小组得出结论认为,幽门螺旋杆菌可识别不同血型者的胃黏膜细胞糖链,并改变与之结合的杆菌蛋白质的形态,从而扩大在人群中的感染范围。

全世界有半数以上的人,感染了幽门螺旋杆菌,。上述研究成果,有助于专家进一步了解幽门螺旋杆菌的适应和进化能力。

发现幽门螺杆菌可诱发基因突变。

20154月,日本媒体报道,很多人都知道寄生在胃部的幽门螺杆菌可致癌,但它们究竟是如何引发癌症的呢?日本冈山大学研究人员近日宣布,幽门螺杆菌所含物质能诱发胃上皮细胞基因突变,从而引发癌症。这一发现,有望为预防胃癌开辟道路。

幽门螺杆菌是一种单级、多鞭毛、螺旋形弯曲的细菌,感染这种细菌与胃癌发生之间的密切关系已为大量研究证实。

冈山大学有元佐贺惠副教授领导的研究小组,把幽门螺杆菌浸入水中,然后将提炼出的物质添加到鼠伤寒沙门氏菌中,结果鼠伤寒沙门氏菌的基因发生突变。他们又将幽门螺杆菌提取物添加到实验室培养的多种人体细胞中,结果发现其中的胃上皮细胞会发生基因突变。

研究人员还把幽门螺杆菌提取物和低剂量烷化剂类致癌物一道加入人体细胞,发现在这种情况下发生突变的胃上皮细胞数量,明显多于单纯添加烷化剂类致癌物的情况。研究人员认为,这显示幽门螺杆菌增强了上述致癌物的功能。但他们也发现,将幽门螺杆菌提取物加热到100℃后,它们就难以导致基因突变了。

研究人员表示,很多癌症是由正常细胞基因突变导致的,如能确定究竟是幽门螺杆菌中的哪种物质诱发基因突变,并弄清其功能,就有可能阻止基因突变,从而促进胃癌预防药物的研发。

2.痢疾杆菌生理机制研究的新发现

⑴探明痢疾杆菌的毒针结构。

20122月,日本大阪大学研究人员参与的一个国际研究小组,在美国《国家科学院学报》网络版上报告说,他们弄清了痢疾杆菌感染人类时,使用的极其细小毒针的蛋白质结构。

痢疾杆菌属于肠杆菌科志贺氏菌属,革兰氏染色阴性。痢疾杆菌通过表面约100根如同毒针般的菌毛排出毒素,在人类的肠部等细胞上开孔,然后侵入细胞内部。

以前,对毒针这种细微结构,一直难以分析。此次,研究人员通过在零下220℃的低温下冷冻毒针,在不破坏蛋白质结构的情况下,利用低温电子显微镜,成功观察到了毒针的蛋白质结构。

观察结果显示,痢疾杆菌的毒针直径约7纳米、长50纳米,由MxiH蛋白质呈螺旋状叠加形成,毒针内还有直径约1.3纳米的供毒素通过的通道。毒素通过通道时呈细长形状,但是出了通道后就会变为球形。

⑵发现痢疾杆菌攻击人体的机制。

20123月,日本东京大学笹川千寻教授领导的研究小组,对当地媒体宣布,他们发现了痢疾杆菌,借助特殊蛋白质破坏人体免疫功能的机制。这一发现,有望促进开发新的治疗药物。

研究小组发现,痢疾杆菌侵入肠道下部的上皮细胞时,人体会激活免疫功能,力图击退痢疾杆菌。但痢疾杆菌却抢先一步,提前分泌一种名为“OspI”的蛋白质,然后吸附到激活免疫功能的人体“UBC13”蛋白质上,导致人体无法充分免疫。

研究人员成功使“OspI”蛋白质结晶化,然后用大型同步辐射光源“SPring8”分析其结构,并根据该蛋白质的立体结构,确认其各种特点。

笹川千寻指出,如能在此次研究基础上,开发出以痢疾杆菌分泌的“OspI”蛋白质为靶向的药物,就有望保护人体免疫功能,消灭痢疾杆菌。今后,研究小组准备继续寻找能攻击“OspI”蛋白质的物质。

3.百日咳杆菌生理机制研究的新发现

发现百日咳杆菌进化速度极快

20151月,英国巴斯大学等机构研究人员组成的一个研究小组,在美国《传染病杂志》月刊上发表研究报告说,他们发现导致百日咳的百日咳杆菌进化速度极快,这可能是近年来此类传染病在全球迅速蔓延的原因之一。不过,专家强调,现有疫苗仍可为婴幼儿等易感群体提供有效保护,及时接种十分必要。

百日咳属于急性呼吸道传染病,发病初期症状与感冒相似。患者可出现长达两个多月的剧烈咳嗽,婴幼儿最易感染。英国卫生部门的数据显示,2012年英国百日咳确诊病例数为上年的近10倍,全球感染病例数也出现上升势头。

研究人员说,他们对2012年在英国采集的百日咳杆菌菌株进行研究,重点分析其表面蛋白质的基因编码,现有疫苗正是通过识别这种蛋白质来引发人体免疫反应,让机体对病菌发起攻击。

研究发现,这种标靶蛋白质的进化速度异常迅速,会使病菌更易躲开免疫系统的识别和攻击。

研究人员表示,病菌进化速度快,很可能导致暴发新的疫情,为此有必要对现有疫苗作出调整和完善。同时,他们也指出,这一研究并不意味着现有疫苗已经失效,尤其是为孕妇和儿童等易感人群及时接种疫苗仍有必要。

4.金黄色葡萄球菌生理机制研究的新发现

⑴发现金黄色葡萄球菌具有自控毒素机制。

2009524,加拿大西安大略大学罗伯茨研究所所长华金·马德瑞纳斯领导的研究小组,在《自然·医学》网络版上发表论文称,他们发现金黄色葡萄球菌具有自我控制毒素机制,这有助于人类更好地了解该超级细菌的自我演化进程,从而开发出新的抗生素。

金黄色葡萄球菌,是医院交叉感染的主要原因,也是普通人群中常见的感染源之一。在北美,每年有超过50万人因此类感染入院,所消耗的医疗费用高达60多亿美元。金黄色葡萄球菌中,含有的致命超级抗原,会引起免疫系统大规模的有害应急反应,从而导致毒性休克综合征。这种病症死亡率很高,也没有特效药。而让科学家们疑惑不已的是:人的身体直接接触毒性休克综合征毒素,数小时内致人死地,但携带能产生这种毒素的葡萄球菌的人却不会患病或者死去。

针对这种现象,该研究小组展开研究,结果发现,金黄色葡萄球菌具有自我控制毒素的机制:葡萄球菌细胞壁内的分子会与人体内免疫细胞上的一种叫做TLR2的受体绑定,从而产生一种称为IL-10的蛋白。这种蛋白具有抗炎作用,可有效防止毒性休克综合征的发生。这一发现,有助于人类更好地了解金黄色葡萄球菌的自我演化进程,从而开发出新的抗生素药物。

⑵发现超级金黄色葡萄球菌的传染机理。

20106月,加拿大麦克马斯特大学内森·马加维副教授主持的一个研究小组,在《科学》杂志上发表论文称,他们发现,超级金黄色葡萄球菌内部存在着控制其致病能力的中央处理器。所谓的中央处理器,其实是一种小化合物。

研究人员说,这种化合物由超级金黄色葡萄球菌以其抗药性的形式产生,由它决定了这种病菌的传染强度和传染能力。有关专家认为,该项发现为治疗这种致命的病菌感染提供了一条新的途径。

所谓超级病菌,通常指抗甲氧苯青霉素金黄色葡萄球菌。狭义上说,它是一种具有抗药性的金黄葡萄球菌。就广义而言,是指对一种或多种抗生素有抗性的金黄色葡萄球菌。该病菌具有致命性和传染性,虽然被认为流行性不强,但在多个国家出现了这种病例。  

超级病菌能够引起各种感染,可以抵抗最有效力的抗生素及药物,多种抗生素都无法杀死它。超级病菌可在人体鼻腔内寄居繁殖。在正常情况下,它只会出现在皮肤与鼻腔内,通常都可以自我痊愈,而不需要进行抗生素的治疗。但若碰到手术后的患者或免疫力低下者,则可能引发体内感染,导致肺炎等疾病。

5.肠道菌群生理现象研究的新成果

⑴破解肠道与细菌共处之谜。

200911月,瑞士洛桑市全球健康研究所尼古拉斯·布冲领导的一个研究小组,在《基因与发育》杂志上发表论文认为,细菌大量存在于许多动物的肠道中,但是研究人员对宿主如何在这些细菌面前保持其组织完好性,却一直缺乏相关的了解。

对此,研究小组以黑腹果蝇为对象展开研究,他们发现在受外来细菌激发后,黑腹果蝇肠道上皮细胞的修复,需要一种氧化裂解以及多条信号通道来完成。

由双氧化酶调控的一种氧化裂解,是黑腹果蝇肠道的免疫响应的一部分。这会使肠道壁受损,从而要求上皮细胞通过肠内干细胞的增殖来修复。

研究人员发现,在响应非共生细菌Ecc15的激发时,抗氧化剂能够减少黑腹果蝇的肠内干细胞增殖。而抑制双氧化酶,同样能够在Ecc15存在的前提下减少肠内干细胞的增殖,这意味着氧化裂解,在肠道组织增殖性修复的开始过程中扮演了一个重要角色。

⑵发现人类有三种不同的肠道菌群类型。

20117月,欧洲人类肠道宏基因组计划(MetaHIT)联盟中,法国国家农业研究院微生物基因研究部研究小组,在致力于肠道研究过程中发现,按照人类肠道菌群的主要类型,可将人群划分为3类,就像世上有4种主要血型一样。这样划分,有助于找到肥胖症和肠炎等病症的原因,也将有助于实施个体化医疗。

现在,科研人员越来越重视人类体表和体内的细菌。在美国,人类微生物组计划旨在给我们鼻子、口腔、皮肤、肠道、尿道以及生殖道的所有活细菌,进行分类。

法国的研究小组,利用基因筛查来鉴别排泄物中的微生物。他们将来自22个欧洲人的样本,与17个来自美国和日本的样本,进行对比后发现,肠道菌群只有3种类型,这些类型与年龄、性别、种族或饮食结构无关。

他们按主导类型,将其命名为类杆菌属(Bacteroides)、普氏菌属(Prevotella)和瘤胃球菌属(Ruminococcus)。类杆菌属已知擅长于分解碳水化合物,所以这种类型的人可能会抵抗肥胖;普氏菌属擅长于分解肠道黏液,这种黏液会增加肠道疼痛;而某些瘤胃球菌属有助于细胞吸收糖分,使体重增加。

研究小组对此给出3种可能的解释:一是人的肠道微生物构成取决于血型;二是认为这由新陈代谢所决定,人们清除结肠内由食物发酵而产生的过多氢气的化学路径有3种,肠道微生物可能与此有关;第三种解释是,由婴儿出生后接触的第一种微生物决定,这种微生物引发了免疫系统,由此形成了不同类型。

⑶研究表明某些益生菌可缓解婴儿肠绞痛。

20141月,芬兰广播公司报道,芬兰图尔库大学科学家安娜·佩尔蒂等人组成的研究小组说,他们在研究肠道菌群组成与婴儿肠绞痛关系时,发现某些益生菌,可有效缓解婴儿常见的肠绞痛。

研究人员随机选择了30名不到6周大,并患有肠绞痛的婴儿,给一部分婴儿喂服一种名为鼠李糖乳杆菌(LGG)的益生菌,同时给另一部分婴儿喂服安慰剂。结果表明,服用了益生菌的婴儿因肠绞痛导致的哭闹明显减少。

此外,该研究还表明,益生菌对早产儿的肠绞痛也有效。94名孕期为3236周的早产儿参与了该研究,研究人员跟踪研究这些早产儿至其年满一周岁。研究显示,服用益生菌或益生元的早产儿中,因肠绞痛而哭闹的仅有19%,而服用安慰剂的早产儿因肠绞痛引起的哭闹的比例则高达47%

佩尔蒂说:研究结果表明,我们所用的这种益生菌(LGG),有助于缓解婴儿因肠绞痛引起的哭闹。但目前来说,直接将益生菌用于治疗肠绞痛为时尚早。

尽管医学界对婴儿肠绞痛的研究,已有50多年的历史,但肠绞痛的确切原因及长期后果仍不明确,也缺乏有效的治疗手段。图尔库大学这项研究的目的,是探讨肠道菌群的组成和婴儿肠绞痛之间的关联,有关成果为今后使用益生菌和益生元预防和治疗婴儿肠绞痛开辟了新前景。

⑷发现肠道菌群的组成不只由饮食决定

2014729,美国得克萨斯大学奥斯丁分校丹尼尔·伯尼克领导的一个研究小组,在《自然·通讯》上发表研究成果显示,肠道菌群的组成,不仅仅取决于吃的东西,而是饮食与性别以及两者相互作用的结果。由此科学家建议,任何试图通过改变肠道菌群治疗胃肠道疾病的手段,应考虑加入“性别”这一因素。

肠道菌群即人体肠道的正常微生物,其中超过99%都是细菌。这些微生物群落特别的丰富且多样化,并且对宿主的发育、营养吸收和免疫功能都有促进作用。已知饮食会改变肠道菌群的组成,这意味着饮食治疗可能会缓解由微生物组成改变而导致的疾病。不过,饮食治疗的作用,是普遍的还是取决于宿主的基因型,这一点尚不清楚。

伯尼克研究小组,此次研究了性别和饮食在脊椎动物肠道菌群组成上的影响。他们分别使用了野生鱼类(棘鱼和河鲈)、人工养殖棘鱼、实验室小鼠和人类的数据。在每一个例子中,饮食对于雌性和雄性肠道菌群的影响都是不一样的。

尽管该结果背后的机理还需要被确认,但是研究人员认为,这可能和不同性别在激素或者免疫功能上的区别有关。他们同时提出,今后进行肠道菌群的研究,应考虑“性别”因素,任何试图通过改变肠道菌群治疗胃肠道疾病的医学手段,也应该考虑到患者的性别差异。

⑸分析表明西方生活模式会改变肠道菌群。

20154月,加拿大阿尔伯塔大学农业、食物和营养科学学院延斯·沃尔特教授主持,澳大利亚联邦大学微生物学家安得烈·格林希尔参与的一个研究小组,在《细胞·通讯》期刊上发表研究成果称,寄居在肠道内的天然细菌对健康十分重要,但他们的研究揭示,一种现代生活方式可能限制肠道积累细菌。虽然生活方式如何影响肠道菌群尚不得而知,但一项针对巴布亚新几内亚和美国居民肠道菌群的分析表明,西方生活方式可能通过限制其在人体中的传输能力,减少肠道中细菌的多样性。

沃尔特说:我们假设西方生活方式的数个方面,能影响肠道菌群和减少其多样性。这其中包括饮食、环境卫生和临床实践,例如使用抗生素和剖宫产手术,但我们不知道肠道菌群是如何被改变的。

该研究小组比较了来自巴布亚新几内亚两个乡村的成年人,与美国成年居民的粪便细菌。巴布亚新几内亚是全世界城市化水平最低的国家之一,这里的许多居民仍保留着传统生活习惯,坚持以农业为基础的生活方式。

研究人员发现,与美国人相比,巴布亚新几内亚居民肠道菌群多样性更大、个人差异性更低,并且成分剖面迥然相异。美国居民缺乏近50种细菌类型,这些细菌属于巴布亚新几内亚居民肠道菌群的核心种类。他们的分析结果还显示了生态过程的相对重要性。尤其是细菌传播或细菌从个人到个人的转移能力,似乎是巴布亚新几内亚居民肠道细菌收集的主导过程,但美国居民不是如此。

沃尔特说:这些结果表明,生活方式能影响细菌传播,尤其是环境卫生和饮用水处理,可能是肠道菌群变化的重要诱因。

另外,该研究还揭示,与西方化有关的菌群变化,可能影响人类健康,这可能会增加工业化国家非传染性慢性病的发病率。格林希尔说:但我们能想办法减少现代生活方式对肠道菌群的影响。该研究,提供了能预防和纠正西方化可能对细菌传播产生影响的信息。

⑹研究发现母乳影响婴儿肠道菌群的发育。

2015511,瑞典歌德堡大学弗莱德里克·伯克荷德领导的一个研究小组,在《细胞宿主与微生物》期刊上发表研究成果称,他们针对98个瑞典婴儿的排泄物样本分析发现,儿童肠道菌群的发育和生育方式之间存在联系。那些经由剖腹产出生的婴儿,肠道菌群明显少于顺产的婴儿。这项研究还发现,营养是婴儿肠道微生物发育的主要驱动因素,母乳喂养还是奶瓶喂养的决定尤为重要。

伯克荷德说:我们的发现证明,停止母乳喂养,而非引进固体食物,是驱动成人样微生物群发展的主要因素。不过,生命初期改变微生物群落,对青春期和成人期健康和疾病的影响,尚不明确。

这项新研究,支持了此前的研究结论:婴儿大部分肠道细菌,最初来源于母亲。研究人员还发现,虽然剖腹产出生的婴儿从母亲那里接收到的微生物较少,但他们仍能通过皮肤和口腔吸收微生物。

一旦细菌进入婴儿的肠道,菌群数量的变化就开始依赖儿童的饮食情况。研究人员认为,停止母乳喂养对微生物发育而言是一个重要时刻,原因是某些细菌类型以母乳提供的营养盐为食。一旦不再摄入母乳,其他在成年人体内更常见的细菌便开始出现。

伯克荷德说:我们的研究,强调了母乳喂养,在婴儿生命的第一年对肠道微生物群落塑造和演变所起的作用。停止母乳喂养后,儿童体内的肠道微生物增加的种类属于梭状芽胞杆菌,这种细菌在成年人肠道内十分普遍。相反吃母乳的婴儿肠道内,双歧杆菌和乳酸菌仍占主要地位。

6.人体细菌生理现象研究的新成果

⑴发现女性手上细菌种类多于男性。

2008113,美国科罗拉多大学博尔德分校生态学和生物进化学部助教诺厄·菲勒、罗布·奈特等人组成的一个研究小组,在美国《国家科学院学报》网络版上发表研究报告称,他们发现,与男性相比,女性手上细菌种类更多,而且每个人手上的细菌种类超过预期的想象。

研究小组从51名大学生的手上提取样本,运用聚合酶链式反应技术,放大细菌脱氧核糖核酸(DNA),同时使用焦磷酸测序技术给基因物质排序。

研究人员共从102只手上,检测出分属4742类的33.2万个细菌。平均每名学生手上携带分属150种的3200个细菌。但是,在每只手上都能发现的细菌只有5种。

不仅个体之间手上细菌种类差异大,同一个人左右手上的细菌种类也只有17%相同。对此,奈特说,让我们感到惊奇的不仅是个体间的差异,还有同一个体两只手之间的差异。

菲勒对发现的细菌种类和数目也感到惊讶。他说,让我们吃惊的结果之一,是发现女性手上细菌的种类多于男性。

研究人员表示,目前,尚无法确认女性手上细菌种类比男性多的原因,但菲勒猜测这也许与皮肤酸碱度有关。酸性环境不利于微生物多样性。奈特说,通常男性皮肤酸性高于女性。此外,差异可能与汗水和油脂腺分泌、涂抹保湿霜或化妆品、皮肤厚度以及荷尔蒙分泌量有关。研究人员发现,在皮肤表层下无法清洗的部分,女性携带的细菌更多。

当被问及男性是否会因此在与女孩握手时犹豫,奈特答道,我认为,每个女孩情况都不同……人身上大部分细菌没有危害,也没有益处……病原菌只是其中很小一部分。

尽管研究人员强调日常勤洗手的重要性,但他们在研究报告中指出,洗手无法彻底消灭细菌。洗手后细菌群体能迅速复原,而洗手无法清除皮肤表面大部分菌群。虽然通常女性洗手次数多于男性,但还是女性手上细菌种类更多。研究人员随后挑选8个人在洗手后跟进测试,结果发现洗手后细菌群体需要时间恢复,但一些细菌喜欢干净的手。

至于左右手上细菌的差异,菲勒猜测可能与外部环境有关。例如任意一只手碰到了油性、含盐分或者潮湿的环境表面。

考虑到不同国家居民有不同的用手习惯,研究人员希望在其他国家开展同类实验。

菲勒说,今后或许可以通过检测物品上的细菌,确认谁摸过这一物品。

⑵绘制成功人体细菌分布图。

200911月,美国科罗拉多大学博尔德分校的一个研究小组,在《科学特快》杂志发表研究报告称,他们成功绘制出人体细菌群落分布图,为临床医学研究提供重要帮助。

研究小组对9名健康志愿者身上27个部位的细菌群落,进行长达3个月的深入观察分析。在3个月内,研究人员分别对每名志愿者做了4次细菌采样。采样工作一般在志愿者洗澡12小时后进行。

运用最新电脑技术及基因序列,研究人员绘制出了人体不同部位细菌分布的概况和轮廓。结果显示,不仅人与人之间菌群分布有别,同一个体不同部位菌群分布也不相同。此外,人体同一部位在不同时间菌群分布也有变化。

尽管如此,菌群分布还是呈现一定模式。人体腋窝及脚底菌群分布变化不大,研究人员推测可能是这两处潮湿避光环境所致。头部几个部位,如额头、鼻孔、耳朵及头发等部位主要由一种特殊类型的细菌占主导,躯体和四肢则由另一种不同菌群霸占。口腔菌群分布变化最小。

⑶发现人体细菌可能存在时差。

20141016,以色列魏兹曼科学中心,免疫与微生物学家艾然·厄里奈夫领导的一个研究小组,在《细胞》杂志上发表论文称,根据一项对大鼠和少数人类志愿者的研究,他们发现,居住在消化道里的细菌,它们的生物钟与其寄主具有同步性。

地球上的生命都与自然界24小时的太阳光明暗循环有关,作为生物节律之一,昼夜规律对植物、动物甚至是细菌等微生物的生物功能都有影响。人类可以自行调节生物钟,但是也要为此付出代价:比如昼夜规律经常被时差、倒班等扰乱的人,更容易患糖尿病、肥胖症、心脏病以及癌症。

过去几年来,科学家对肠道细菌的研究兴趣产生了一次大爆发,这些微生物,似乎对从免疫力到新陈代谢,再到个人情绪等每件事情上,都有影响。尽管很多因为生物钟紊乱而产生的疾病,都存在肠道微生物被扰乱的情况,但两者之间的精确联系目前尚未明确。厄里奈夫十分好奇,这些微生物的生物钟,是否是其中丢失的一块拼图?

为了证明这项理论,他的研究小组,在24小时昼夜生活规律的实验室大鼠排泄物样品中,提取一些微生物进行分析。样品在两个24小时的周期内,每隔6小时提取一次。60%的微生物由各种细菌组成,这些细菌,在白天和晚上,会在整体数量和相互之间的干扰等方面,上下波动。光线较暗的夜间,是大鼠最活跃的时候,这些细菌会忙着消化营养物,修复它们的DNA,并不断增长;而在光线较强的时候,微生物则变为管家,比如排毒、感知它们周围的化学物质,生长出鞭毛或尾巴帮助微生物运行。

而那些丧失生物钟功能的大鼠肠道细菌,无论在数量还是活性上,均没有出现相同的波动,并对光线产生相应的应答。这表明,动物自身的生物钟,在一定程度上控制着体内寄生细菌的生物钟。那些取自生物钟功能丧失的大鼠体内的微生物,被植入正常昼夜光照条件下健康的大鼠体内后,一周内这些微生物的生物节律也恢复正常。

厄里奈夫表示,这些结论让很多人感到惊奇。此前的研究发现,很多细菌确实存在基于光线应答的昼夜节律现象,比如蓝藻就通过光合作用获取能量。但是肠道内的微生物所有时间都待在黑暗中,它们怎么分辨时间呢?在寄主与这些细菌之间一定存在某种传递信号。

7.细菌生理现象研究的其他新成果

⑴发现塑料垃圾成海洋细菌等微生物的避风港

20143月,在2014年的海洋科学会议上,与会者都是专门研究塑料垃圾问题的专家。这些垃圾,是指漂浮在海洋中的上百万吨的合成碎屑。美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所微生物学家特雷西·明瑟说:“这是由人类活动创造的新的生物栖息地。

有研究显示,超过1000种海洋中的细菌和其他微生物,能够在塑料碎片中生存,而这些碎片通常还不及人类的手指甲大。明瑟说:在中心海域,细菌等微生物一直在寻找一块容身之地,且有一些栖息地要明显优于其他选择。根据一项初步的遗传分析结果,弧菌类是其中的佼佼者,且大部分的弧菌能够发光。

实际情况也正是如此,在研究者夜间拖网打捞上来的塑料垃圾中,40%是发光的。此外,明瑟认为,这种发光的垃圾对鱼类,尤其是依靠光线觅食的鱼类吸引力极大。塑料垃圾对于鱼类来说是魔鬼,而对细菌等微生物来说却是天使——能使它们“逃离鱼口”。明瑟说:“微生物的基因,能使其以塑料垃圾为家,鱼类再想吞噬它们必须‘三思而行’。

⑵首次发现生存于健康胎盘中的细菌

2014522,美国得克萨斯州休斯敦市贝勒医学院,产科医师凯悦斯娣·埃格德和她的合作者组成的一个研究小组,在《科学·转化医学》杂志上发表研究成果称,一直被认为处于无菌环境中的人类孕妇胎盘,其实是一个细菌群落的家,就像科学家在人体口腔中发现的细菌群落一样。这些微生物通常是非病原性的,但根据科学家的此项研究,其构成的变化可能是一些人们知之甚少的妊娠疾病的共同根源,例如早产,大约每10名孕妇便会诞下1名早产儿。

细菌群落是细菌、病毒与真菌等的总称。2012年,该研究小组发现,孕妇阴道中最丰富的细菌,与那些没有怀孕女性阴道中的细菌并不相同,但却无法普遍代表新生儿在其降生后第一周所排粪便中最常见的细菌。为了搞清这些微生物从何而来,研究人员决定对胎盘展开研究。

在这项新的研究中,研究人员采集了320名刚刚分娩的产妇的胎盘组织样本,并从这些组织中提取了脱氧核糖核酸(DNA),同时对其进行了测序。他们发现,胎盘中有大约300种微生物存在,不过水平较低,其中大多数微生物都发挥着重要作用,例如为发育中的胎儿代谢维生素。

宏基因组又称元基因组或生态基因组,是指与人类共生的全部微生物的基因总和。研究人员此次采用的鸟枪测序法,首先把整个基因组打乱,切成随机片段,然后测定每个小片段的序列,最终利用计算机对这些切片进行排序和组装,并确定它们在基因组中的正确位置。

研究人员同时注意到,孕妇的体重,或是她们的生产方式(剖宫产或顺产),似乎并不会改变其胎盘的微生物构成。但埃格德指出,细菌群落在那些发生早产或更早前曾被感染的孕妇胎盘中却是不同的,例如一次尿路感染,即便这种感染在几个月或几周前得到治疗并治愈也是如此。此外,早产胎儿与足月产胎儿的胎盘,微生物群落组成存在明显不同,说明胎盘微生物群落与早产之间可能存在关联。

研究人员同时把孕妇胎盘菌群与在没有怀孕的女性阴道、肠道、口腔和皮肤上发现的菌群进行了比较。研究还表明,胎盘中数量最多的是肠道中常见的、不致病的大肠杆菌,两种口腔菌坦纳氏普雷沃氏菌与奈瑟菌数量也相对较多。总体而言,他们发现,胎盘菌群与口腔菌群最为类似。作者推测,微生物向胎盘的旅行,是通过流经口腔的血液完成的。埃格德表示,这一研究结果强化了暗示孕妇口腔牙周病与早产风险之间存在关联的数据。她说,这说明女性怀孕期间保持口腔健康的重要性,“强化了一个长期以来的观点:牙周疾病与早产风险存在关系。”并未参与此项研究的得克萨斯大学医学部产科医师乔治·萨阿德认为:“这是首次有研究表明,即便是在正常的孕期中,也有特定的细菌群落与正常的胎盘形成有关。”

美国国立儿童健康与人类发育研究所,产期研究与产科学项目主任罗伯托·罗梅罗指出,研究小组发现的细菌,可能来自于母血而非生存在胎盘中的细菌群落的一部分。然而,并未参与该项研究的波特兰市俄勒冈健康与科学大学产科医师安东尼奥·弗里亚斯认为,研究人员“基本算是在使潜在污染最小化的前提下采集了样本。”

研究人员还发现,早产孕妇胎盘的微生物群落组成,不同于足月产孕妇的胎盘。但埃格德表示,目前还不清楚是否是这种差异造成早产。研究小组如今正在研究女性的细菌群落如何在怀孕期间发生变化。其目的在于确定那些面临早产风险的女性,以及开发出防止早产或处理新生儿并发症的方法,或许通过饮食上的变化从而提高孕妇胎盘、阴道或口腔及肠道中健康微生物的数量。

8.细菌功能研究的新发现

⑴发现纳米比亚珍珠硫细菌的特殊功能。

20051月,德国媒体报道,德国麦斯宾克海洋微生物学院生物学家海德·舒尔斯领导的研究小组,2004年在非洲西南面的纳米比亚海岸发现了纳米比亚珍珠硫细菌。随着研究的深入,它的功能与作用也越来越清楚。

研究人员说,这细菌外观呈球形,阔度普遍大多在0.10.3毫米之间,但有些可以大至0.75毫米。它们的数量很多,住在纳米比亚海岸的沉淀物里,因含有微小的硫磺颗粒,所以发出闪烁的白色。当它们排列成一行的时候,就好像一串闪亮的珍珠链。这种巨大细菌,生长在缺乏氧气但含有丰富养分的沉淀物中,在沉淀物含有很多硫化氢,细菌利用硝酸盐将硫氧化以获得能量。

它的发现意义在于,提供了地球硫循环氮循环之间耦合作用的更确切的证据,这两种海洋中主要的环境循环方式,直到最近还被认为是互不相关的。

研究人员说,这种巨大细菌,通过构成磷矿,帮助驱动地球的一个营养循环。磷在植物和动物、海洋以及沉积岩中循环,最终由沉积岩的风化释放出磷再开始这个循环。虽然岩石中的磷主要以磷灰石的形式出现,但是人们几乎不知道任何现代的磷灰石形成的例子。

舒尔斯研究小组发现,纳米比亚珍珠硫细菌生活的沿海中有丰富的磷灰石。实验室的研究显示,这种细菌的代谢活动,在它附近的水中产生丰富的磷,足以构成磷灰石沉淀的条件。这项研究表明,该过程也许能够解释在某些海洋区域的磷灰石积累。

⑵发现抗辐射菌的自我保护功能。

20073月,有关媒体报道,美国国防部军队卫生服务大学的研究小组表示,他们发现抗辐射菌在高剂量电离辐射(IR)环境中保护自己的功能。该发现,有望帮助科学家,开发出保护人们免遭辐射影响的新方法。

50年前,科学家就发现了抗辐射菌,并认为它的抗辐射功能在于它自身的DNA修复机理,此后绝大多数有关该细菌的研究均基于这种假设。然而,美国的研究人员发现,该细菌的DNA修复成分,并没有明显的不同之处,同时在辐射剂量设定后,具有不同抗辐射功能的细菌的DNA修复量相同。此外,许多被电离辐射杀灭的细菌,实际上其DNA几乎没有受到损伤。

早在2004年的研究中,该研究小组就发现,抗辐射细菌的细胞,与辐射敏感细菌的细胞,所含金属元素量完全不同。细胞含锰量超高,同时含铁量越低,它在遭受辐射后的恢复功能也超强。他们指出,抗辐射功能最强的细菌,含锰量是辐射敏感细菌锰含量的300倍,而含铁量则少3倍。

研究人员对金属元素含量不同导致的抗辐射功能差别,进行新的研究后,认为胞质锰的高含量和铁的低含量,能够保护蛋白(而不是DNA)免遭电离辐射引起的氧化损伤。

这项发现,有可能导致科学家对抗辐射菌的研究方向发生转变,将注意力从DNA损失和修复,转向有效的蛋白保护形式。根据这项新研究开发出的人体辐射保护方式,将有望最终帮助医生根据每个病人的体质,决定其进行放疗时所接受的辐射剂量,并为保护癌症患者免受放疗副作用影响开辟新途径。

⑶发现一种肠道细菌具有增加好胆固醇含量的功能。

200876,巴西媒体报道,巴西圣保罗州立大学,与阿根廷乳酸杆菌研究中心科学家组成的一个联合研究小组,在《拉美营养档案》杂志上发表研究成果称,他们发现,一种屎肠球菌,具有增加人体血液中的好胆固醇(又称高密度胆固醇)含量的功能。

据报道,屎肠球菌是一种肠道细菌,有多种种类。研究小组在试管试验和动物试验中发现,其中一种屎肠球菌可有效增加好胆固醇含量。他们用这种屎肠球菌进行人体试验,44名志愿者每天服用200毫升加入屎肠球菌发酵的大豆酸奶,6周后他们血液中的好胆固醇含量水平提高了10%。

研究人员介绍,好胆固醇含量水平提高1%或2%,就能大大减少罹患心血管病的风险。因此,这种屎肠球菌的作用相当可观,不过有关作用机制尚待继续研究。胆固醇分为高密度胆固醇和低密度胆固醇两种,前者对心血管有保护作用,通常被称为好胆固醇,后者通常被称为坏胆固醇,因为它的增多会增加患心血管病风险。

⑷首次在细菌中发现核糖核酸修复功能。

200910月,美国伊利诺伊大学香槟分校生物化学系教授黄雷文及其同事,分别在《科学》和美国《国家科学院学报》上发表相关论文称,他们首次在细菌中发现一项新功能:核糖核酸RNA)修复系统。这是迄今为止发现的第二个RNA修复系统,第一个为噬菌体(可攻击细菌的一种病毒)中的带有2个蛋白的RNA修复系统。

此次发现的细菌RNA修复系统的新颖之处在于,在受损的RNA封闭前,一个甲基会附着在该RNA受损点的两个主要羟基之上,使得受损点无法继续开裂,从而达到修复的效果。这一细菌功能的发现,对于保护细胞免遭核糖毒素的侵袭具有重要意义。该毒素,能使蛋白质转译涉及的重要RNA发生开裂,从而导致细胞的死亡。

由于新发现的RNA修复系统中,对甲基负责的酶是细菌中的Hen1的同系物,因此该发现对理解RNA干涉以及动物、植物和其他真核生物的基因表达同样具有相当重要的意义。

他们在《科学》杂志上发表的论文,主要描述RNA修复过程的全部机理。而在美国《国家科学院学报》上发表的论文,则着重解析甲基化反应的化学机理,尤其是细菌中的Hen1内起主导作用的转甲基酶的晶体结构。由于真核态的Hen1能产生同样的化学反应,研究应进一步侧重于理解真核生物中的RNA干涉。

⑸发现细菌具有自制氧气分解甲烷的功能。

2010325,欧洲一个研究小组在《自然》杂志上发表论文称,他们发现细菌一项新功能:它能够在无光照的情况下,用自己制造的氧气,来分解甲烷气体。这一发现,表明在植物首次出现之前,细菌就已开始制造氧气,补上了地球演化过程中缺失的一环

甲烷是一种化学性质相当稳定的气体,跟强酸、强碱等一般不起反应。理论上,真核生物在厌氧条件下,能够利用硝酸盐氧化甲烷。但此前,利用这种反应的生物,无论是在自然环境中,还是在实验室中,都没有被发现。而微生物氧化甲烷的作用,仅被认为在氧气和硫酸盐条件下才能发生。直到2006年,荷兰奈梅亨拉德伯德大学的马克·施特鲁斯与合作者,在对一个微生物群落的研究中才发现,它在完全无氧条件下,能利用硝酸盐脱硝作用氧化甲烷。

现在,荷兰的研究人员,与法国、德国研究人员组成的一个国际研究小组,在进一步研究中发现,在没有现成氧气源,也没有光照的情况下,细菌可以将亚硝酸盐分解为一氧化氮和氧气,然后用生成的氧气来分解甲烷获取能量。

由于作为研究对象的微生物,生长极为缓慢,且在微生物群落中只有少量存在,荷兰研究人员不得不用基因分析的最新方法,即宏基因组方法,来对这些微生物进行研究。他们先分离出水样中的基因片段,然后进行基因的测序和重构。

令研究人员惊讶的是,完整的基因组序列分析表明,还原亚硝酸盐缺少特定的基因,而且这种细菌对氧气有依赖。实验室的实验数据与基因组数据有矛盾。为探明细菌,究竟是如何在亚硝酸盐的帮助下,从稳定的甲烷氧化中获取能量,德国马克斯·普朗克海洋微生物学研究所的研究人员,也加入了研究工作。

通过微型传感器和质谱分析,德国研究人员证实了矛盾的真实性。综合实验结果和基因组数据,研究小组认为,只有当细菌使用特殊途径,生产出氧气来氧化甲烷,才是合适的解释。不过证明,氧气的生成是一个漫长的任务,经过一年多的努力,研究小组终于成功得到实验性的证据:这种微生物,可从两个亚硝酸盐分子中,释放出一氧化氮和氧气,甲烷可随后被氧化。

此前,人们一致认为,地球上最早的产氧光养生物是海藻和蓝藻。它们在大气层从无氧到有氧的转化过程中,起了关键作用。而现在,最新的研究成果,让科学家发现一个新机制的线索。细菌在第一种植物出现在地球上之前就已经存在,细菌在地球演变过程中的作用,将补上地球演化中缺失的一环。同时,由于亚硝酸盐通过化肥的使用,而在淡水农业土壤中大量存在,新的研究结果也可为肥料在甲烷循环中的利用提供契机。

⑹发现双歧杆菌有延年益寿功能。

20118月,日本京都大学等机构研究人员,在《科学公共图书馆·综合卷》网络版发表论文称,定期给实验鼠喂食双歧杆菌,可使实验鼠比同类更长寿。

研究人员选取2010个月大的实验鼠,给它们每周3次喂食双歧杆菌“LKM512”。每只实验鼠,每次食用双歧杆菌约2000万个,相当于市场销售的酸奶150毫升所含菌量。而给对照组的实验鼠,每次只进食生理盐水。

10个月大的实验鼠,相当于人类30岁至34岁的年纪。喂食双歧杆菌,一直持续到实验鼠相当于人类约70岁的时候。这时,这些实验鼠的生存率达约80%,而对照组实验鼠的生存率只有约30%,差异明显。同时可以看到,定期喂食双歧杆菌的实验鼠毛非常整齐,外观显得年轻。

另外,仅饮用生理盐水的实验鼠,约有20%出现肿瘤或溃疡等疾病,而食用双歧杆菌的实验鼠,则基本上没有患这些病。研究人员认为,摄入双歧杆菌,使实验鼠肠道内多聚胺的量增加,有效抑制了肠道老化,并起到了抗炎症的作用。