微生物记忆的机制

细菌可以学习如何在环境中生存

生物学中最迷人的特质之一就是记忆能力。记忆帮助我们使用语言,进行地理定位,并完成各种任务。这种特征并不仅限于人类;动物也拥有这种能力,例如灵长类动物使用手语,以及走失的宠物能以某种方式找到回家的路。

记忆也发生在微生物世界。在过去的 40多年里,研究人员一直在研究细菌如何获得对环境的认知并以某种方式采取特定行为的过程。最早的观察基于化学物质的梯度。根据可用的浓度,会启动一定数量的功能。这最终导致发现了更复杂的机制,其中细菌响应已知的环境刺激而改变其遗传密码。

对于病原体来说,记忆可以帮助提高感染的效率,甚至缩短建立宿主寄生所需的时间。最有用的能力之一是适应抗生素耐药性。在找到一种方法来阻止抗生素的攻击后,细菌会保留未来使用的必要基因。这种回忆形式对公共健康有重大影响,因为它是日益临近的“抗生素后时代”的主要促成因素。

但微生物在病原体中的记忆功能中,一个更有趣的功能可能是识别特定宿主类型。尽管病原体似乎普遍引起疾病,但研究人员发现,一些微生物对易感人群的不同亚群体的感染方式也不同。这种特异性与被感染个体的基因组成有关,也称为基因型。

对于研究人员来说,特别是那些对理解传染病感兴趣的研究人员来说,这种形式的记忆给分析病原体效应带来了一些潜在问题。如果基因型不利,则会导致低于最佳水平的毒力。这不仅会影响对感染本身的观察,还会影响治疗和疗法的益处,因为它们可能会错过更严重的感染机制。

虽然宿主特异性的概念已经被理解,但如何确定特定细菌最有利的宿主一直是一个挑战。但最近,一个奥地利研究团队 公布了一种可能的方法,用于检测病原体的偏好以及如何可能将其完全消除。

这项技术称为傅里叶变换红外光谱(FTIR),它涉及到在分子水平上识别振动。当分析生物样本时,可以建立各种糖类、蛋白质、遗传物质甚至脂肪的独特指纹。它是识别单个微生物物种的绝佳方法,但也可以用来观察新陈代谢。对研究人员来说,这是更好地理解微生物记忆的完美工具。

该团队在实验中使用了单核细胞增生李斯特氏菌(Listeria monocytogenes)。这种细菌病原体能够感染包括人类和老鼠在内的多种物种;他们选择老鼠作为宿主。使用三种不同基因型的老鼠,分析了细菌的新陈代谢活动,然后进行比较。毫不奇怪,每种不同类型的​​老鼠都导致细菌产生不同的代谢反应。

但实验的真正价值在于病原体在同一基因型中的持续传代。每一代,细菌都变得更能适应宿主的特定性质。作者认为这可能是由于老鼠和微生物之间各种形式的交流,但没有一种被明确识别。

最后的测试是确定记忆是根深蒂固的还是可以丢失的。就像我们记忆语言或地理位置的能力一样,如果我们不持续熟悉刺激,我们可能会失去快速回忆和行动的能力。该小组通过将细菌从老鼠身上取出,然后将它们放在培养皿中来实现这一点。果然,没有老鼠的环境,代谢特征就消失了;记忆并非永久。在疾病的背景下,这意味着远离宿主可以有效地阻止严重的感染。

该研究的总体结论集中在能够识别特定的代谢记忆和宿主易感性使用FTIR。然而,研究结果也揭示了像单核细胞增生李斯特氏菌(L. monocytogenes)这样的病原体如何能够适应,以便它们能够进入宿主并最终学会如何引起最高程度的感染。从公共卫生的角度来看,这可能为我们未来如何通过更好地理解微生物指纹来对抗感染提供一些启示。它也可能通过专注于“抹去”记忆,使细菌根本无法记住该做什么,从而帮助确定最佳的治疗和疗法途径。

 

更多优惠、评测和购买指南

 
自青少年时期起,Jason Tetro就把实验室视为他的第二个家。他在微生物学和免疫学方面的经验使他涉足多个领域,包括血液传播、食品和水病原体;环境微生物学;消毒和防腐;以及SARS、禽流感和寨卡病毒等新兴病原体。他目前是圭尔夫大学的访问科学家。在公众中,Jason更广为人知的名字是“The Germ Guy”(细菌 guy),他经常在媒体上以其有时非传统的视角解读科学。Jason著有两本书:《The Germ Code》(2014年入围年度科学图书奖)和《The Germ Files》(曾连续几周登上全国畅销书榜)。他还合编了《The Human Microbiome Handbook》(人类微生物组手册),该书从学术角度探讨了微生物对人类健康的影响。他住在多伦多。

© .