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你的肠道内,正在偷偷发生“性行为”

2022-02-14 来源: 新浪科技 原文链接 评论0条

你的肠道内,正在偷偷发生“性行为” - 1

我们肠道中的微生物会定期发生“性行为”,从某个角度来说,这对细菌和我们都是一件好事。

撰文 | 二七

审校 | 栗子

你可能知道,在我们的肠道中,居住着大量的细菌。而你可能不知道的是,为了更好地生存下去,这些细菌会定期发生“性行为”。

等等,细菌似乎没有严格意义上的生殖器,也没有性别的划分,这样也能有性行为吗?

在我们的印象中,细菌繁殖靠的是分裂,并没有交配这种“世俗的烦恼”。但在生物学的定义下,性的本质是遗传物质的交换过程。最近,发表于《细胞·报告》的一项研究显示,我们肠道中的细菌可以伸出一根名为菌毛(pilus)的管子,将自己的DNA“注入”另一个细菌体内,从而帮助其他细菌拥有获取维生素B12的能力。对于这些看似简单的生命形式来说,尽管与繁殖过程无关,但这就是它们的“性生活”了。

细菌的“性生活”

其实,细菌也有“性生活”这件事,科学家很早就发现了。1946年,爱德华·塔特姆(Edward Tatum)和约书亚·莱德伯格(Joshua Lederberg)首先发现,细菌之间也存在基因的交换。

塔特姆和莱德伯格通过化学物质诱导,获得了大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两种突变体。这两种突变体都不能合成某些必需的营养物质,因此无法在自然环境中生存,只能在提供了相应营养物质的实验室环境中生长。不过,它们不能合成的营养物质并不相同。

而将两种突变体一起培养一段时间后,一些大肠杆菌的后代居然重新获得了合成这些营养物质的能力。在经过一系列实验排除了其他可能性后,研究者得出了结论:大肠杆菌能将遗传物质传递给其他细菌,莱德伯格将这个过程称为“接合”(conjugation)。

这个发现迅速震惊了遗传学界,并让莱德伯格分享了1958年的诺贝尔生理学或医学奖。如今,我们知道了关于这个过程的更多细节:细菌表面存在一类像管子一样的,特殊的菌毛。它会用这种菌毛,将自己附着在另一个细菌上,并且射出一份“打包好”的DNA——质粒。这样一来,不同细菌,甚至是不同物种的细菌就能“共享”遗传物质。

甚至长出菌毛的能力也是通过这种方法传播开来的。大肠杆菌长出菌毛是依靠体内的F质粒(F plasmid),能长出菌毛的大肠杆菌会和没有这种能力的细菌接合,并让双链F质粒的其中一链经由菌毛通道转移至另一个细菌内,再合成互补链。这样一来,接收方的细菌也能长出菌毛,转身又成为了新的供应方。

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通过菌毛的接合过程,其他细菌也可以获得长出菌毛的能力(图片来源:Adenosine - Own work, CC BY-SA 3.0)

但令人担忧的是,经菌毛通道转移的,除了和菌毛形成有关的基因以外,还有大量的抗生素抗性基因。科学家很快意识到,通过这种方式,细菌可以把其他细菌的抗性基因“拿过来”据为己有,帮助自己躲过抗生素的攻击。这也成为了耐药性在细菌中广泛传播和持续存在的主要原因。

搜刮同伴的“尸体”

对细菌来说,接合甚至不是唯一一种获得DNA的方式:除了从活着的伙伴那里获得DNA,它们还能从体外“掠夺”其他细菌的“尸体”。

当细菌死亡时,它们会裂开并释放出体内的DNA,这些DNA就成了其他细菌的“宝藏”。2018年,印第安纳大学的研究者就记录下了霍乱弧菌(Vibrio cholerae)伸出菌毛,勾住一段DNA并带回体内的场景。

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绿色的菌毛像是一根触手,一把“抓住”红色的DNA并拽回体内。(图片来源:Ankur Dalia/Indiana University)

菌毛是一种极其纤细的结构,只有头发丝的万分之一细。为了看到这些细微的结构,研究者专门开发出了一种独特的染料,帮细菌把菌毛“染成绿的”。在显微镜下,绿色的菌毛像是一根触手,一把“抓住”红色的DNA并拽回体内。“这就像是在穿针引线一样。”这项研究的第一作者,考特尼·埃利森(Courtney Ellison)说,据估计,DNA穿过的小孔直径可能只有7-8nm,而被抓住的DNA有大概50nm长,“如果不是这些菌毛在,DNA自然通过这个小孔进入细菌体内的几率可以说是微乎其微。”

在正常显微镜下看似安静的细菌,其实正在伸展菌毛。(图片来源:Ankur Dalia/Indiana University)

肠道细菌助消化

说到这,你可能会觉得细菌诡计多端。但其实细菌的这些共享行为也只是为了更好地生存下去,而这对人类来说,也并不一定全是坏消息。

在最新发表于《细胞·报告》的这项研究中,研究者特别关注了拟杆菌门(Bacteroidetes)的细菌。拟杆菌是人体肠道菌群的重要成员,在某些人体内,甚至占到了整个微生物组的80%。这些拟杆菌是膳食多糖的主要代谢者,“如果没有它们,你就无法消化红薯、豆类、蔬菜等食物内那些大而长的分子。它们分解了这些食物,我们才可以从中获得能量。”论文第一作者帕特里克·德根南(Patrick Degnan)这样解释。

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在正常的人体微生物组中,拟杆菌属的细菌可以占到30%(图片来源:NOAA/OpenStax Microbiology)

然而,要在人类的肠道中定居,并(顺便)帮我们消化碳水化合物并不容易。为此,这些细菌必须与肠道中的其他微生物争夺有限的资源,其中就包括维生素B12和相关化合物。

是的,你的肠道细菌和你一样,需要维生素B12,它在细菌的新陈代谢和蛋白质合成中都起到了关键作用。问题是,肠道中的大多数微生物——包括大多数的拟杆菌——没有能力自行合成B12和相关化合物,这就意味着它们需要准备好有效的运输系统,来从环境中吸收B12。

这时,细菌间的共享就派上了用场:研究人员发现,拟杆菌门的细菌也会通过接合这种方式,共享B12转运蛋白的相关基因。

B12转运蛋白

在正式开展这项研究前,德根南曾和同事确定了一种重要的转运蛋白,负责帮助肠道微生物吸收B12。随后,德根南开始思考,这些微生物是如何获得B12转运蛋白的呢?这个过程是否也和细菌的接合有关呢?

为了证明这个猜测,德根南和研究团队将可以吸收B12的细菌和无法吸收B12的细菌一起培养,就像莱德博格70多年前的实验那样。一段时间后,那些无法吸收B12的细菌依然存活了下来,并且获得了吸收B12的能力。

为了明确这个基因的来源,研究者检查了细菌的整个基因组。“对给定的生物来说,它们的DNA条带就像指纹一样。显然,DNA的接受者已经整合了一条来自供体的额外DNA,显示它们从捐赠者那里获得了新的DNA。”德根南说。

在小鼠体内的实验也得到了类似的结果,当研究者将两种拟杆菌(一种能转运B12,另一种不能)移植到小鼠肠道后,仅过了5-9天,前者的基因就“跳跃”到了后者体内。“这就相当于两个(发色不同的)人发生了性关系,现在他们都有了红头发。”德根南说。

另外一个有趣的新发现是,论文中指出,在同一物种之间的基因转移会比两个不同物种之间稍快,这说明即使是细菌的性行为,可能也会存在轻微的“生殖隔离”。不过相比多数真核生物,这种性行为还是“狂野”了许多。

参考链接:

https://www.sciencealert.com/there-are-a-bunch-of-bacteria-having-sex-in-your-gut-right-now

https://news.ucr.edu/articles/2022/02/01/human-gut-bacteria-have-sex-share-vitamin-b12

https://www.nature.com/articles/35084593

https://www.statnews.com/2018/02/20/antibiotic-resistance-bacterial-sex/

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1958/ceremony-speech/https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/bb/feature/bacgen1

相关论文:

https://www.nature.com/articles/s41564-018-0174-y

https://journals.asm.org/doi/full/10.1128/mBio.01305-14

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