顛覆對生物進化的理解，首次觀察到不同微生物間融合與物質交換

2020-09-05 生物世界


了解細菌間如何相互作用，對於解決日益增長的問題（例如抗生素耐藥性）至關重要，越來越多的傳染性細菌擁有了對抗菌藥物的防禦能力。和人類一樣，細菌也是群居生活，細菌間也會伸出援手，通過分泌的代謝物質，幫助自己的鄰居發展。

近日，美國德拉瓦大學的研究人員在 mBio 雜誌發表了題為：Interspecies Microbial Fusion and Large-Scale Exchange of Cytoplasmic Proteins and RNA in a Syntrophic Clostridium Coculture 的研究論文。


該研究發現，細菌之間絕非簡單的協同工作，不同物種的細菌可以通過融合細胞壁和細胞膜來共享細胞內物質（包括蛋白質和RNA），從而組成獨特的雜交細胞，也就是說，生命體可以通過這種過程交換物質並失去自己的部分身份特徵。


這種前所未見的現象很可能在自然界廣泛存在，並對物種進化和微生物群落功能具有深遠影響。


這一發現有望闡明許多之前無法解釋的現象，例如病原體的抗生素異質性，病原體對人體的入侵，以及不可培養細菌的進化軌跡等等。

研究團隊研究了永達爾梭菌（C. ljungdahlii，Clj）和丙酮丁醇梭菌（C. acetobutylicum，Cac）這兩種細菌之間的相互作用。這兩種細菌在共培養時會協同作用，產生互利互惠的代謝產物。

然而，研究團隊觀察到，這兩種細菌並不僅僅是協同作用關係，通過透射電子顯微鏡和電子斷層掃描，發現這兩種兩種生物體之間的細胞壁和細胞膜發生了融合，永達爾梭菌（Clj）入侵了丙酮丁醇梭菌（Cac）。



這兩種微生物的細胞壁和細胞膜融合後，並交換了蛋白質和RNA，形成雜交細胞，而且其中一些雜交細胞還會繼續分裂。

研究團隊通過螢光透射電子顯微鏡發現融合後的細胞之間有蛋白質的大規模交換，流式細胞儀分析表明這些相互作用的程度和動態持久性。而雜種細胞含有來自兩種生物體的蛋白，表明具有交換成分的細胞有持久性。螢光顯微鏡同時還觀察到這兩種生物體之間有大規模的RNA交換。這些發現表明，細胞融合使兩種生物之間能夠進行大規模的細胞內物質交換。


該研究的通訊作者，德拉瓦大學化工系主任 Eleftherios Terry Papoutsakis 教授表示，之前都認為每種生物都有自己獨立的特徵和系統，然而這項研究明明白白的展示了兩種生物體混合了各自的系統來生存和新陳代謝，這顯然是非比尋常的。


雖然這種不同物種微生物間的融合首次被發現，但研究團隊認為，這種現象在許多細菌中應該是普遍存在的。

那麼為什麼這些細菌會費心地融合在一起呢？

答案很可能非常簡單，就是因為這種融合使微生物之間可以共享增加其生存概率的系統。例如某些病原菌可以利用這種方式從其他具有抗生素抗性的細菌那裡借用抗性蛋白來抵抗抗生素。某些病原菌也可以通過這種方式來逃避免疫系統追殺。


這也可能解釋了為什麼有些細菌在實驗室條件下難以培養和生長，這些難以培養的細菌很可能是與其他微生物結合在一起，並依靠它們而存在，而不是僅僅自己生長和繁殖。


這項發現可能會影響人們對生物進化的理解，因為一旦不同物種之間可以共享各自的系統，它們就可以一起進化，而不僅僅是自己進化。


研究團隊表示，這項發現的影響是深遠的，可能會揭示人類健康、自然環境、進化生物學和生物技術中許多無法解釋的現象。

論文連結：

https://mbio.asm.org/content/11/5/e02030-20

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