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“青千专家”赵坤:细菌如何将记忆传给后代

来源:科技日报 作者:孙玉松 2018-04-17 11:18:30
  “鱼的记忆力很短,才3秒钟。”《岁月神偷》里的经典台词,如今早已被科学证明并不准确。可是,如果有人告诉你,不仅鱼有很长的记忆力,就连肉眼看不到的细菌也有记忆力,还能传给“后来人”,你会信吗?近日,天津大学化学院教授赵坤和美国研究人员合作发现,细菌细胞中存在着一种记忆因子,能将感官记忆“代代相传”。

  无脑细菌靠刺激获取记忆

  没有中枢神经,更没有大脑,细菌们如何拥有超强的代际传递记忆力?带着好奇,记者采访了赵坤教授。

  “我个人一直认为细菌是有‘记忆’的,它们的后代能够记住祖先的表面感应信号。”赵坤说。从2009年开始,赵坤就一直从事细菌方面的研究,这次以绿脓杆菌作为研究对象的实验已持续了多年,研究思路也几经变化调整。赵坤解释说,细菌没有中枢神经系统,所以这种“记忆”并不是我们通常所说的人类认知意义上的大脑记忆。

  实际上,国际上已有研究发现部分微生物具有短暂的“记忆”行为。早在2016年,瑞士科学家曾发现,淡水和海水中广泛存在的新月杆菌群体,在遭受外界某种警告事件(如盐胁迫)时能够产生一种集体记忆,从而增加它们的环境胁迫耐受性。

  “这类集体记忆行为,其实质多数是基于对外界化学信号浓度梯度的感应而产生,存在的时间相对较短。”赵坤说,“与以往研究最大的不同在于,我们的研究第一次追踪到了单个细胞整个谱系的行为,发现了细菌的记忆秘密。细菌细胞能使通过表面感知而激发自身的一个信号分子浓度增加,将其作为一种‘记忆’信息,这种信息还可以在多代之间传递,从而帮助后代们更快更好地适应环境。”

  首次找到细菌生物被膜成因

  记者了解到,赵坤和美国同行选择的绿脓杆菌菌株,可以在囊性纤维化患者的呼吸道中形成生物被膜,并导致持续的感染,是可致命菌。这种细菌还可在人工髋关节等外科植入物上形成细菌生物被膜,导致植入物失效和人体感染。

  记者查阅资料发现,细菌生物被膜是引起细菌持续性感染的常见致病机制,大约60%的临床感染病例,都与细菌生物被膜的形成有关。但在早期的生物被膜形成过程中,可逆转和不可逆的连接是如何联系在一起的?这些概念虽然早在上世纪30年代就被提到,可科学家们花了近90年的时间,如今才第一次真正了解它们如何携手合作,帮助推动早期细菌生物被膜的形成。

  赵坤还介绍说,对于细菌的表面附着,以往人们通常认为,是细菌通过增加自身的黏度(比如分泌多糖)来增加表面附着的几率,这是细菌的一个静态适应过程,但这次研究彻底颠覆了以往的简单认识。他们在研究中首次发现,细菌细胞内的信号分子循环性AMP的表达,以及IV型菌毛(参与细菌细胞活动的附属物)的活动水平,这两个事件是有节奏地互相连接的,两个事件之间仅仅相隔几个小时。“细菌通过这种有节奏的模式来感觉和记忆,这是它们能够决定何时停止运动、静止下来、不可逆地附着于一个表面,最终形成生物被膜的关键。”赵坤略显兴奋地说,“如果我们能理解并掌握细菌的这种记忆力代际传递,那有可能增强我们控制细菌群体的能力。”

  超级细菌或不再难对付

  记者了解到,早在这个研究结果出来前,赵坤团队还曾在《自然》上发表过另一项针对细菌记忆的相关研究,发现并证明了细菌可以记住它们曾去过什么地方,从而可以帮助它们更容易形成细菌菌落。这一次的研究则是从更基本的层面揭示了细菌细胞可以记忆它表面感知的信息。赵坤认为,他们的研究工作未来对人类更好地理解生物被膜,特别是其早期阶段的形成机理,继而更好地预防和治疗由生物被膜引起的细菌感染会有积极意义。

  “这项研究还对未来如何阻止细菌的表面附着提供了一种全新思路。”赵坤说,“我们不仅仅要考虑细菌的黏度,今后还可以通过使细菌‘遗忘’的方式来降低细菌的表面附着,进而更好地控制细菌感染。让我们更好地理解病原体如何能够对抗生素产生耐药性,这也将有助于我们更好地应对目前面临的对抗生素免疫的‘超级细菌’难题。”
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