微觀天下

美國德拉瓦大學的 Barbara J. Campbell 帶領的研究團隊在最近發表了他們在 Nautilia profundicola 細菌的新發現.

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人類腸道裡的細菌可以製造特定物質幫助宿主對抗直腸癌及發炎性腸道疾病(inflammatory bowel disease). 近年研究也逐漸重視食物成份在經過細菌轉換後是否產生對身體有影響的物質.

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Dalhousie University 數學系教授 Jason Brown 在 Guitar Player 雜誌上發表了他的研究結果, 為一個困擾音樂人 40 年的問題提供了令人滿意的答案.

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[17年蟬之謎]這本書, 來自一篇巧妙呈現自然奇妙運作法則的研究. 這自然是項重要的貢獻. 這也是作者的第一本科普創作, 將自己嚴謹的論文轉化成了一本大家都能輕易瞭解的小書.

它真的是一本小書. 百來頁, 還有很多全頁的插圖, 你大概花個二十分鐘就可以讀完了. 但要能察覺自然界運作的法則, 可能要有個二十年的功力. 有這麼一些蟬, 整個族群選擇每隔幾年才從土裡冒出一批, 短時間內交配繁殖完, 後代再潛入土裡等待下一次生殖年的到來. 但是不懂數學的蟬兒, 為什麼在那麼多數字裡, 總是會選中每隔 13 年或者 17 年出現一次呢? 如果不是它們懂數學, 那為什麼生物的現象要受到數學課堂上定義的質數的影響呢?

在帶領大家找答案的路上, 在最小公倍數中帶出雜交及生存優勢的概念. 兩個看來不相關的東西竟然有著密切的關係. 原來我們在做的, 只是在找尋自然界運作的法則, 只是有人從數學, 有人選物理學, 而我們鑽研生物學而已. 找到一個蛋白質不見得有多重要, 找到為什麼這個蛋白質會出現在這個地球上或許代表的是更大的趣味.

當我們越學越多, 慢慢的我們會在蛋白質的結構上看到自然力作用的神跡, 慢慢的我們會在離子的流動裡找到快樂. 不管是那一種研究, 我們愛上的是那一個發現背後的法則原來是這麼回事的樂趣.

科普文字的力量, 也是希望有更多的人可以像這本書的作者, 在不需要擁有二十年的功力, 也能知道自然界的神妙. 當更多的人領略到自然的美, 或許人們就不會捨得破壞這麼精妙的藝術品了.

讀這本書, 提醒我不要迷失在點數迷陣裡. 記住自己原是要來找尋天地運作法則的樂趣, 在每一個好的研究裡, 你一定能找到讓自己神往的故事, 一個接著一個.

書裡插畫家石森愛彥貢獻了很多可愛的插圖

你我是男是女在精卵結合的那一瞬間就決定了, ?有改變的機會. 但是有一些生物的性別倒不是以基因來決定的. 爬蟲類裡的鱷魚, 蜥蜴的卵在受精後會長成壯丁還是美女要看發育時候的?度. 拿澳洲的一種蜥蜴 Jack dragon (Amphibolurus muricatus) 來看, 如果讓卵在23-26度下發育會長出美女, 27-30度下發育會長出型男, 30-33度下發育也會長出俏妞. 可是為什麼會是中間的?度長出男生, 可是偏低和偏高都變出女生呢?

前人早就有了一套想法來說明這個現象. 在它們生活的環境中, 一定是在27-30度下長大的壯丁在演化競爭的擂臺上能得到最大的成功, 打贏在26以下或30以上長大的同性對手, 所以留下的後代就都是設定在27-30度下會長大成壯丁. 同樣的, 26以下或30以上長大的美女們也都是同性間競爭的勝者. 而這裡說的競爭其實指的就是能成功留下的後代數目. 留下的後代越多, 自己這一種特性所佔的比例就越多. 這就是生態演化上常用的 fitness 指標, 用來評估具有某一種特性個體在競爭上強弱的參考數值.

可是問題來了, 前一段說的是理論早在三十年前就有人提出來了, 只是一直?有辦法用實驗來證明. 但是這個實驗還真是難做. 最大的困難點在於第一, 這一些爬蟲類活個幾十年不是問題(它們是長壽的烏龜鱷魚哪!), 所以如果要把一代裡能生育下一代的數目當做演化優勢的指標, 我們就得乖乖等到每一隻實驗動物壽終正寢才能定論. 碰到這種長壽的動物, 再有決心的研究生也等不了那麼久. 第二個問題是為了驗證是否不同?度下發育的壯丁是否在競爭上有強弱上的不同. 但是我們不能回到過去把那些選不同?度的種類都找回來, 手上僅有的現生種是早就選定27-30度的優勝者. 換句話說, 只要?度不是27-30度, 我們是得不到可以做實驗的壯丁的.

澳洲雪梨大學的兩位研究人員 D. A. Warner 和 R. Shine 找到了解決的方法. 澳洲蜥蜴 Jack dragon 正好有很短的生活史, 它們的一生大概只有三到四年, 拿來測試這個理論好像是可行的. 他們找了一批蜥蜴蛋, 分別放在23, 27, 及33度下孵. 當然在較高?度下孵的小蜥蜴就會比較快從蛋裡出來, 同樣的時間下體型也會比較大. 接著使用抑制劑阻止蜥蜴 aromatase 把雄性素轉變為雌性素的作用. 於是作者成功得到了一批蜥蜴男生和一批蜥蜴女生. 然後把它們放在一個受到保護的地區, 追?它們繁殖下一代的成功率. 配合現在的基因分群技術, 作者也可以追?每一隻存活的小蜥蜴的爸爸媽媽是誰. 實驗設計底定, 我們來看看結果.

實驗結果真的跟前人預期的一樣. 27度下孵化的小男生長大後繁殖留下的後代最多; 而 23, 33度下得到的小女生長大後繁殖留下比27度下更多的後代. 這樣的結果說明了前人的推論相當可能是正確的. 雖然我們不知道到底是什麼原因造成這樣的演化, 但是目前看到的?度範圍上的不同的確可能是天擇後的結果, 這樣的?度選擇真的有比較好的繁衍下一代的機會.

在上個月的 Nature Podcast (1/24/2008, 最後 5 分鐘)上也聽得到作者的訪問. 當被問到研究時的辛苦時作者提到除了技術上很多困難要克服外, 很累人的一點是每天都在擔心會不會發生傳染病讓他的蜥蜴死光光, 或是一隻野貓溜進來把蜥蜴吃光光!

新研究指出 A 群鏈球菌(Group A streptococcus; Streptococcus pyogenes)在餓肚子時的代謝和表現出來的毒性有關! 在革蘭氏陽性細菌掌主管一大群碳水化合物代謝相關酵素基因表不表現的 CcpA (catabolite control protein A), 現在被證實會影響細菌毒力因子的表現. 製造 CcpA 蛋白的基因被破壞後, GAS 菌在感染老鼠時的毒性會變弱. 把這些有缺陷的突變株放在養份充足的培養基裡, 細菌會製造出毒力因子; 但是如果把它們放進低養份的環境(如人體唾液), 少了 CcpA 的細菌在毒力因子的製造上就大受影響了. 除了生理上的證據外, 純化的 CcpA 蛋白也的確會接在毒力因子 streptolysin S 的 promoter 基因序列上. 所以餓肚子會變壞的這個現象, 是印在生物基因裡古老本能囉!

生質能源是近年來的熱門話題, 也是熱門的研究主題. 甚至現在搶小麥導致麵粉狂漲的狀況據說好像都跟它有關係. 生質能源既然有生質二字, 想必原料得來自生物. 生產動物比生產植物要貴得多, 所以這個原料不可能拿豬油來用, 而植物就成了研究的主要目標.

目前主流的作法是想辦法把種出來的作物做前處理打破堅硬的細胞壁, 利用酵素把植物裡很多的 cellulose 和 hemicellulose 切成五六個單醣連成的的短醣鏈, 再找適當的微生物把這些醣鏈發酵成 ethanol. 這些 ethanol 在純化後就可以拿來提供能量了. 當然現在全球不知道多少研究人員想破頭想要提高這些步驟的效率或是增加產量, 所以看來我們正逐漸向這個目標前進, 只是不知道還有多遠. 但是生物的多樣性告訴我們能到達目的地的不會只有一條路; 或許有更好用的一條代謝途徑存在地球上數以萬計的生物種類裡, 特別是微生物. 喔, 不對, 加了微生可能有十萬或是有百萬種, 誰知道到底有多少種細菌可能埋在我們還不知道的環境裡?

好了. 那如果我們不釀酒, 現在還有什麼選擇呢? 這樣的一個新的嘗試勢必要有容易產生的反應, 生產過程不能用掉太多能量, 而且要能用很便宜的原料(甚至廢水垃圾)來生產可用的能源. 其中一個方向是利用植物纖維, 讓細菌作用後放出可燃的氫氣和一氧化碳, 再設法讓兩者進行生物或非生物的化學反應去生產有機物. 如果找得到好用的微生物的話, 靠生物的反應效率應該會比較高. 目前研究人員正積極向熱泉環境裡尋寶, 因為看起來這裡才有具有這等功力的怪細菌可以生產出氫氣, acetate, butyrate, butanol 或 ethanol 等我們可以進一步使用的有機產物.

在目前生產酒精的方法裡, 利用酵素把植物細胞壁切出醣的這一段還是很難降低成本, 因為生產酵素的成本實在是不低. 所以我們下一個目標是回到自然界裡找更便宜的酵素批發商. 那什麼地方會有能把植物細胞壁轉變成小分子有機物的酵素呢? 答案就在你我的身上! 讓我問你個問題, 每天的食物裡少不了有青菜吧! 這些植物的細胞壁進到你的肚子裡後去了那裡? 全部都原封不動的被你送入馬桶了嗎? 當然不是! 動物和昆蟲的腸道裡堆滿了總數是我們全身細胞數量十倍多的微生物. 我們可?好好招待這些房客; 這些微生物住在大腸裡, 撿我們小腸吸收完剩下來的不能利用的植物纖維. 它們不但能把醣切出來用, 還生產出好多短鏈脂肪酸和有機物, 其中不少還被我們的腸壁細胞偷走利用. 事實上這些微生物產生的 butyrate 還是我們腸壁細胞的主要能量來源. 除了生產這些有機物外, 腸道細菌還會生產氣體燃料, 像是氫氣和甲烷. 甲烷? 難道說我們的腸子裡都有易燃氣體嗎? 完全正確. 動物腸子裡生產的甲烷還是大氣中甲烷的主要來源之一. 這些都是能源.

你如果有興趣多知道一點製造生質能源的新想法, 這裡有一本專刊可以讀一讀.

Current Opinion in Biotechnology
Volume 18, issue 3
Energy biotechnology: beyond the general lignocellulose-to-ethanol pathway

6/2007 

海洋的浩瀚及海洋生物的千變萬化一直緊緊抓住人們的想像及好奇心. 而海洋環境裡的微生物不但擔負著自然界元素循環的重要角色, 在它們體內的基因裡可能還藏有開發生物醫學新藥的契機. 但是對海洋微生物的研究一直?很大的進展, 主要是受限於這些新奇的微生物大多無法在實驗室中培養, 因此對它們的生理或是與生態群聚上的瞭解都還不多. 目前最有力的工具是以PCR技術放大及建構核醣體DNA基因庫, 經由序列分析進行菌種鑑定後, 以序列的種類當做細菌種類的指標, 幫助我們在不需要培養它們的狀況下知道這個群聚裡有那些成員. 但是這個方法還是有限制, 因為只有數量到?這個環境裡細菌總數1%以上的細菌才有可能被偵測到.

在2007年10月初出刊的科學(Science)雜誌裡發表了一篇關於海底世界的報告.  來自美國的研究團隊分析了在2003及2004年採自太平洋一千五百公尺深海底兩個湧泉Marker 52及Bag City的水樣, 並且分析了水樣裡的細菌組成. 面對過去的困境, 他們打算以量取勝, 藉著分析更多基因庫序列的方式把解析度提高到過去的100到1000倍. 這個方法倒真是奏效了; 利用針對16S rRNA gene多變的V6區段序列他們總共分析了689720條真細菌序列和216627條古細菌序列, 其中得到36725種不同的序列. 如果把核酸序列相似度在97%以上的序列當做同一種細菌的話, 這些樣本裡總共鑑定出18537種真細菌及1931種古細菌, 遠高於過去的發現.

不過這篇研究中有一個讓不少研究人員坐立難安的結論. 在這36725種核酸序列中出現最多的前10名在次數上都超過10000, 但是其它出現次數少的序列的種類(代表數量少的菌種)有多少呢? 他們的研究結果指出序列裡有98.5%的出現次數都少於100. 也就是說, 這個環境裡的大多數菌種的數量都偏低, 以過去的研究方法可能都不能被偵測到. 這一篇研究使用超過90萬段序列; 這已經不是一個實驗室或是每個研究機構都可以完成的規模了, 到底這樣的數量夠不夠讓我們充分瞭解這個生態系呢? 根據作者的分析, 這次的努力大概可以應付種類比較少的古細菌, 多樣性更高的真細菌顯然需要投注更多的努力才有機會掌握.

人類想要知道海底到底有多少種微生物, 甚至你倒入花盆的黑營養土裡到底總共住了多少種微生物, 看來都不是以現在的技術可以簡單回答的問題了.

Huber JA et al. 2007. Microbial population structures in the deep marine biosphere. Science 318: 97-100.

今年十月, 是 Sputnik 發射成功的五十週年紀念. 最近你一定會在各大科普雜誌或新聞裡看到相關報導. 這個省思雖然不是我開頭的, 但是我覺得有提出來說說的價值. 原文來自這一期 Science 的 Editorial.

Donald Kennedy. 2007. Sputnik Nostalgia. Science 318: 5847.

知道 Sputnik 的人大概不多. 那是美蘇開始太空競賽的第一步. 1957年10月4日, 蘇聯發射了人類第一個人造衛星, 它的名字是 Sputnik. 它的長相像是一個長了四根釣桿的金屬籃球. 球體直徑只有 58公分. 美國當然臉上無光, 趕快把手上能用的趕工出來, 準備也射一顆來表現一下. 結果, 在地面火箭就爆了. 大失敗.

不過美國人倒是馬上開始大動作急起直追. 研究的基礎在教育. 他們立刻增加 National Science Foundation 在科學教育上的經費, 變成三倍! 而且開始動員進入高中, 幫高中老師補充新知, 讓他們有更好的能力去影響高中學生. 效果呢? 你應該看到了吧!

想想在臺灣的研究, 是不是有從高中做起的一套有方向的有效的計畫? 想想我們的教育. 高中老師有多少能力和機會來保持自己寬廣的視野? 大學老師在升等壓力下有多少力氣可以花在改進教材和教學法上面? 我們有?有一套讓老師學會如何教學的訓練課程? 教育部除了拿錢叫大家提出看起來很漂亮做起來不像樣的教學計畫或是留下一堆規定外, 有?有一個真的幫助學生幫助我們的做法? 教育很重要. 除了要有一群願意燒時間陪學生的人以外, 還要一群人想清楚該怎麼做, 提供一些好點子. 或許只是這些資源都?有來到我們這間學校. 現在我們只能一切自己來, 做多少算多少, 新教材多一點是一點, 新教法多一個是一個.

我們真的還有很多該做的事要去完成.

太空人的任務當然是危險的. 他們要擔心外星來的奇怪生物, 還得注意自己身上本來被免疫系統控制的細菌會不會趁著在太空的機會起來叛變. 我們知道太空無重力狀態下對人的影響, 卻還?有人研究過無重力狀態對細菌的影響. 為了弄清楚這一點, 研究人員在去年九月讓惡名昭彰的腸道病原菌 Salmonella typhimurium 跟著太空梭 Altlantis 上了太空繞了 12 天, 希望能弄清楚太空之旅對細菌的意義. 這個研究的結果, 已經被整理成一篇有 41 位作者的研究論文, 發表在美國國家科學院刊上.

接下來的發現挺讓人驚訝的. 在對老鼠的毒性上, 旅行回來的細菌比待在地面上的控制組細菌要毒三倍. 除此之外, 太空旅行讓這些細菌改變了在167種基因上的表現量 (69種變多, 98種變少). 73種蛋白質的表現量發生改變. 其中一個最有趣的發現是 hfq 的調控機制似乎會受太空旅行的影響. 旅行的經驗除了讓 hfq 表現量下降, 另外有 64 種受 Hfq 調控的基因表現也有改變(佔已知受調控基因的 32%); 和 Hfq 結合的 small regulatory RNA 在表現量上也有變化, 看起來 RNA/Hfq 這個機制應該是會受太空旅行的影響; 另外一群同時受 Hfq 和 RpoE 的表面蛋白們在表現量上也改變. 這樣看起來, 這一些觀察到的變化可能都和 hfq 系統有關.

過去的研究中已發現太空中的無重力/微重力現象造成低流體剪切力的現象, 而細菌表面流體剪切力的變化也被證實會對細菌生理造成影響. 研究團隊接著利用旋轉式培養系統來模擬微重力, 低流體剪切力的環境是否可以造成在太空旅行後觀察到的現象. 針對這個現象的研究事實上已經進了好多年了. 在地面的模擬器上研究人員發現在低重力的狀態下細菌的毒性會增加, 對惡劣環境如環境變酸, 滲透壓或?度變化的抵抗力會上升, 甚至在被免疫巨噬細胞吞進去後的存活能力也增強. 在不少基因上也看到在轉錄或轉譯層次上出現一些改變. 這次作者們比較了失去正常 hfq 基因的突變株在旋轉式培養系統裡的表現和正常野生型菌株有什麼不同, 果然發現野生型細菌在這個模擬的太空環境裡的表現跟太空旅行後的細菌相似, 但是?有正常 hfq 的細菌則?有這樣的反應, 所以看起來這一切都是因為 hfq 的作用造成的.

在基因表現及生理上可以看到變化, 那在形態上的會不會有改變呢? 在電子顯微鏡的觀察下作者看到了細菌細胞的大小和外形大致維持不變. 但是在旅行過的細菌培養標本裡看到部份細菌有形成團狀聚集和分泌細胞外產物的現象. 這種能力上的改變可能幫助這些細菌更容易在老鼠腸道裡聚集或附著, 增強了它們造成感染的能力.

由於 hfq 控制細菌對抗環境壓力和致病能力, 這兩方面的證據配合起來的確告訴我們細菌可能使用適應地球上環境變化的機制來適應上太空的變化. 另外一個作者點出來談的東西是, 既然細菌會對低流體剪切力產生反應, 那對高流體剪切力會有反應嗎? 細菌在寄主體內會感受到不同流體剪切力, 而這種變化是不是會被細菌當做知道自己進入某個環境的訊號(如從腸道到附著上腸壁細胞表面), 進而決定是不是要啟動特定基因的決定因子呢?

看來我們要瞭解這小小的細菌, 還有很多要學的.

Science 網站 (ScienceNOW Daily News) 上 9/24的報導
Phil Berardelli. 2007. Space Germs Could Yield Earthly Cures

PNAS上發表的原文
J. W. Wilson et al. 2007. Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq.