Elife：古生菌或可作为抗菌药来源
2014-11-28 王英 生物通
目前，最神秘的一种生命形式，被证明可能是一种丰富和尚未开发的抗菌药来源。这种神秘的生命形式就是古生菌（Archaea），是一个单细胞生物家族，生长在极端环境，例如沸腾的热液池和冒着烟的深海喷口，对于大多数其他物种来说，这些条件都过于极端。 美国范德堡大学生物科学副教授Seth Bordenstein带领了这项研究，他指出：“这是首次在古生菌中发现功能性的抗菌基因。你不能夸大人类
目前，最神秘的一种生命形式，被证明可能是一种丰富和尚未开发的抗菌药来源。这种神秘的生命形式就是古生菌（Archaea），是一个单细胞生物家族，生长在极端环境，例如沸腾的热液池和冒着烟的深海喷口，对于大多数其他物种来说，这些条件都过于极端。
美国范德堡大学生物科学副教授Seth Bordenstein带领了这项研究，他指出：“这是首次在古生菌中发现功能性的抗菌基因。你不能夸大人类正面临的抗生素耐药性问题的意义。这一发现应该有助于激励我们在这种尚待开发的生物中，开发新的抗生素。”
范德堡大学已经就新发现的这个基因申请了专利，正在探索产业合作伙伴及授权机会。
直到上世纪70年代末，生物学家认为，古生菌只是一种怪异的细菌，但是后来对它们DNA的一项里程碑分析表明，它们代表着生命进化树上一个独立的分支，可以追溯到30亿多年以前。
范德堡大学和波特兰州立大学的一个科学家小组，对不同物种之间广泛的水平基因转移进行了研究，发现古生菌可能是一个新的药物来源。
研究人员正在调查一个基因，这个基因可编码存在于眼泪、唾液、乳汁和粘液中的一种酶——溶菌酶。这种特殊的溶菌酶具有广谱抗菌作用，从细菌显著跃升到生命的各个主要分支。他们发现它有一个极不可能的来源：一种古生菌微生物，栖息在深海地区，周边有深海热泉喷涌出的过热矿泉水。
相关研究以“Antibacterial Gene Transfer Across the Tree of Life”为题，发表在2014年10月25日的新科学杂志 eLife ，详细描述了这一发现。作者包括范德堡大学博士研究生Jason Metcalf、Lisa Funkhouser-Jones和Bordenstein，博士后Kristen Brileya和波特兰州立大学教授Anna-Louise Reysenbach。
Bordenstein说：“我们发现，这种古生菌溶菌酶，可杀死厚壁菌的某些物种，厚壁菌是一大组细菌，包括经典的耐药菌金黄色葡萄球菌，可引起炭疽的芽孢杆菌和肠道感染菌艰难梭状芽胞杆菌。”
以前，科学家们在很大程度上不考虑将古生菌作为药物来源，因为它们不会引发任何人类疾病，专家认为它们与其他的生命形式并没有太多的相互作用，因为它们仅限于极端环境。
然而，近年来，研究人员发现，有相当数量的细菌与极端环境古生菌共存，古生菌自身不仅局限于这种环境，而且也生活在温和的环境中，如海藻类和哺乳动物肠道内。
Metcalf 说：“事实上，古生菌与其他形式的生命相互作用，远比我们想象的多，这意味着，它们在竞争资源。而且，如果它们竞争资源，那么它们就会产生化学物质来攻击和防御其他生物：这些化学物质可能有效地对抗我们目前抗生素的细菌耐药性。”
科学家第一次在一种攻击沃尔巴克氏体（Wolbachia，感染昆虫和世界其他无脊椎动物的一种细菌寄生虫）的噬菌体病毒中，发现了这种抗菌基因，编码GH25-muramidase。它是细菌中常见的一个酶家族中的成员，细菌用其来改造它们的细胞壁。噬菌体利用相同的酶，通过在它们的细胞壁上咬开孔洞，侵入细菌。
此外，该基因存在于昆虫（pea aphid，豌豆蚜）中，以前有过报道。但是当研究人员检查其进化史时，他们惊奇地发现，这个基因也突然出现在一种古老的植物谱系（江南卷柏Selaginella moellendorffii）和许多真菌物种中，包括米曲霉（用于亚洲烹饪以制造酱油、味噌和酒精饮料如清酒的一种霉菌）。
Metcalf说：“这完全是出乎意料的。但是，最古怪的事情发生在一种古生菌Aciduliprofundum boonei——生活在深海热泉群落。究竟为什么需要这样的一种酶呢？”
为了探讨这一问题，Metcalf找到了世界上专门收集和培养古生菌的少数科学家，包括A. boonei菌：波特兰州的Reysenbach实验室。在他们的帮助下，他能够提纯A. boonei的GH25-muramidase结构域，这是确定酶的作用所需要的一步。
Reysenbach说：“从生态学的角度来看，这些结果对我们来说真的很酷。这些古生菌与极端细菌生长的很靠近，在生物膜中，需要竞争资源。我常常在想，‘古生菌是如何做到的？’通过本文，我们发现，聪明的古细菌通过从其细菌‘配偶’和竞争对手那里窃取基因，做到这一点。这表明古生菌是有益的，至今仍是发展新抗菌药物相对未开发的靶标。”
Metcalf也花了两年多的时间，试图从携带该基因的植物和真菌中提纯这种酶，但没有成功。Bordenstein说：“这是不寻常的。纯化大的抗菌蛋白，可能非常困难。这是一个非常困难的多层面的项目。”
原始出处：
Metcalf JA1, Funkhouser-Jones LJ1, Brileya K2, Reysenbach AL2, Bordenstein SR1.Antibacterial gene transfer across the tree of life.Elife. 2014 Nov 25;3. doi: 10.7554/eLife.04266.
作者：王英
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