2022年02月14日 09:00
【科學快訊】
我們腸道中的微生物會定期發生「性行為」，從某個角度來說，這對細菌和我們都是一件好事。
撰文 | 二七
審校 | 栗子
你可能知道，在我們的腸道中，居住著大量的細菌。而你可能不知道的是，為了更好地生存下去，這些細菌會定期發生「性行為」。
等等，細菌似乎沒有嚴格意義上的生殖器，也沒有性別的劃分，這樣也能有性行為嗎？
在我們的印象中，細菌繁殖靠的是分裂，並沒有交配這種「世俗的煩惱」。但在生物學的定義下，性的本質是遺傳物質的交換過程。最近，發表於《細胞·報告》的一項研究顯示，我們腸道中的細菌可以伸出一根名為菌毛（pilus）的管子，將自己的DNA「注入」另一個細菌體內，從而幫助其他細菌擁有獲取維生素B12的能力。對於這些看似簡單的生命形式來說，盡管與繁殖過程無關，但這就是它們的「性生活」了。
細菌的「性生活」
其實，細菌也有「性生活」這件事，科學家很早就發現了。1946年，愛德華·塔特姆（Edward Tatum）和約書亞·萊德伯格（Joshua Lederberg）首先發現，細菌之間也存在基因的交換。
塔特姆和萊德伯格通過化學物質誘導，獲得了大腸杆菌（Escherichia coli）K12菌株的兩種突變體。這兩種突變體都不能合成某些必需的營養物質，因此無法在自然環境中生存，只能在提供了相應營養物質的實驗室環境中生長。不過，它們不能合成的營養物質並不相同。
而將兩種突變體一起培養一段時間後，一些大腸杆菌的後代居然重新獲得了合成這些營養物質的能力。在經過一系列實驗排除了其他可能性後，研究者得出了結論：大腸杆菌能將遺傳物質傳遞給其他細菌，萊德伯格將這個過程稱為「接合」（conjugation）。
這個發現迅速震驚了遺傳學界，並讓萊德伯格分享了1958年的諾貝爾生理學或醫學獎。如今，我們知道了關於這個過程的更多細節：細菌表面存在一類像管子一樣的，特殊的菌毛。它會用這種菌毛，將自己附著在另一個細菌上，並且射出一份「打包好」的DNA——質粒。這樣一來，不同細菌，甚至是不同物種的細菌就能「共享」遺傳物質。
甚至長出菌毛的能力也是通過這種方法傳播開來的。大腸杆菌長出菌毛是依靠體內的F質粒（F plasmid），能長出菌毛的大腸杆菌會和沒有這種能力的細菌接合，並讓雙鏈F質粒的其中一鏈經由菌毛通道轉移至另一個細菌內，再合成互補鏈。這樣一來，接收方的細菌也能長出菌毛，轉身又成為了新的供應方。
通過菌毛的接合過程，其他細菌也可以獲得長出菌毛的能力（圖片來源：Adenosine - Own work， CC BY-SA 3.0）
但令人擔憂的是，經菌毛通道轉移的，除了和菌毛形成有關的基因以外，還有大量的抗生素抗性基因。科學家很快意識到，通過這種方式，細菌可以把其他細菌的抗性基因「拿過來」據為己有，幫助自己躲過抗生素的攻擊。這也成為了耐藥性在細菌中廣泛傳播和持續存在的主要原因。
搜刮同伴的「屍體」
對細菌來說，接合甚至不是唯一一種獲得DNA的方式：除了從活著的夥伴那裏獲得DNA，它們還能從體外「掠奪」其他細菌的「屍體」。
當細菌死亡時，它們會裂開並釋放出體內的DNA，這些DNA就成了其他細菌的「寶藏」。2018年，印第安納大學的研究者就記錄下了霍亂弧菌（Vibrio cholerae）伸出菌毛，勾住一段DNA並帶回體內的場景。
綠色的菌毛像是一根觸手，一把「抓住」紅色的DNA並拽回體內。（圖片來源：Ankur Dalia/Indiana University）
菌毛是一種極其纖細的結構，只有頭發絲的萬分之一細。為了看到這些細微的結構，研究者專門開發出了一種獨特的染料，幫細菌把菌毛「染成綠的」。在顯微鏡下，綠色的菌毛像是一根觸手，一把「抓住」紅色的DNA並拽回體內。「這就像是在穿針引線一樣。」這項研究的第一作者，考特尼·埃利森（Courtney Ellison）說，據估計，DNA穿過的小孔直徑可能只有7-8nm，而被抓住的DNA有大概50nm長，「如果不是這些菌毛在，DNA自然通過這個小孔進入細菌體內的幾率可以說是微乎其微。」
在正常顯微鏡下看似安靜的細菌，其實正在伸展菌毛。（圖片來源：Ankur Dalia/Indiana University）
腸道細菌助消化
說到這，你可能會覺得細菌詭計多端。但其實細菌的這些共享行為也只是為了更好地生存下去，而這對人類來說，也並不一定全是壞消息。
在最新發表於《細胞·報告》的這項研究中，研究者特別關注了擬杆菌門（Bacteroidetes）的細菌。擬杆菌是人體腸道菌群的重要成員，在某些人體內，甚至占到了整個微生物組的80%。這些擬杆菌是膳食多糖的主要代謝者，「如果沒有它們，你就無法消化紅薯、豆類、蔬菜等食物內那些大而長的分子。它們分解了這些食物，我們才可以從中獲得能量。」論文第一作者帕特裏克·德根南（Patrick Degnan）這樣解釋。
在正常的人體微生物組中，擬杆菌屬的細菌可以占到30%（圖片來源：NOAA/OpenStax Microbiology）
然而，要在人類的腸道中定居，並（順便）幫我們消化碳水化合物並不容易。為此，這些細菌必須與腸道中的其他微生物爭奪有限的資源，其中就包括維生素B12和相關化合物。
是的，你的腸道細菌和你一樣，需要維生素B12，它在細菌的新陳代謝和蛋白質合成中都起到了關鍵作用。問題是，腸道中的大多數微生物——包括大多數的擬杆菌——沒有能力自行合成B12和相關化合物，這就意味著它們需要准備好有效的運輸系統，來從環境中吸收B12。
這時，細菌間的共享就派上了用場：研究人員發現，擬杆菌門的細菌也會通過接合這種方式，共享B12轉運蛋白的相關基因。
B12轉運蛋白
在正式開展這項研究前，德根南曾和同事確定了一種重要的轉運蛋白，負責幫助腸道微生物吸收B12。隨後，德根南開始思考，這些微生物是如何獲得B12轉運蛋白的呢？這個過程是否也和細菌的接合有關呢？
為了證明這個猜測，德根南和研究團隊將可以吸收B12的細菌和無法吸收B12的細菌一起培養，就像萊德博格70多年前的實驗那樣。一段時間後，那些無法吸收B12的細菌依然存活了下來，並且獲得了吸收B12的能力。
為了明確這個基因的來源，研究者檢查了細菌的整個基因組。「對給定的生物來說，它們的DNA條帶就像指紋一樣。顯然，DNA的接受者已經整合了一條來自供體的額外DNA，顯示它們從捐贈者那裏獲得了新的DNA。」德根南說。
在小鼠體內的實驗也得到了類似的結果，當研究者將兩種擬杆菌（一種能轉運B12，另一種不能）移植到小鼠腸道後，僅過了5-9天，前者的基因就「跳躍」到了後者體內。「這就相當於兩個（發色不同的）人發生了性關系，現在他們都有了紅頭發。」德根南說。
另外一個有趣的新發現是，論文中指出，在同一物種之間的基因轉移會比兩個不同物種之間稍快，這說明即使是細菌的性行為，可能也會存在輕微的「生殖隔離」。不過相比多數真核生物，這種性行為還是「狂野」了許多。
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