Only Perception: 為何沙門氏桿菌在太空中更致命？

2009-05-09

為何沙門氏桿菌在太空中更致命？

Salmonella Spills its Secrets on the Space Shuttle
http://www.physorg.com/news160931238.html
http://science.nasa.gov/headlines/y2009/06may_salmonella.htm

by Dr. Tony Phillips, May 7th, 2009

沙門氏桿菌屬（Salmonella，以下簡稱沙門桿菌，是一種桿狀、革蘭氏陰性、不形成孢子、厭氧、顯著能動的腸桿菌科細菌），你出了什麼事？自從在返回地球的太空梭上生長的沙門桿菌比在地面上其他理想環境中生長的沙門桿菌要更狠毒 3 到 7 倍之後，研究者已自己問了自己這個問題。若想出為什麼的話，能幫忙保護太空人遠離疾病且能導致食物中毒與地球上其他常見病痛的新療法。

由 Cheryl Nickerson（亞歷桑納州立大學）等人所完成的新研究，不只解釋了為何沙門桿菌在太空中「加速（revved up）」，也說明如何使它們再度安定。

"我們認為太空旅行，誘使沙門桿菌表現猶如它們在人類腸道中一樣，" Nickerson 說。"那是一種與「流體剪力（fluid shear）」有關的物理現象。"

沙門桿菌微生物有能力感知移動經過其外部表面之流體的力量。這種「流體剪力」對這種微生物而言，作用如同一種訊號，幫助它們了解它們位於人體何處。沙門桿菌通常藉由搭乘人們所吃的食物進入體內。在管型腸道中，液體般的半消化食物與消化液混合物攪拌一陣子，故液體剪力總數增強。

但是當沙門桿菌細胞靠近腸壁時，它滑入微小的、毛髮般的突出 -- 稱為微絨毛（microvilli），那披覆在腸內襯上 -- 間的微小空間中。在此，該細胞從劇烈翻騰移動變成遮遮掩掩，而流體剪力也降到非常低的程度。而且那裡也是這種細菌的細胞能從腸道穿越進入血流中以便開始感染之處。故對一個正在經歷低流體剪力的細菌而言，改變基因活性，那幫助細菌存活並導致感染，將有意義。

基於電腦的模擬已經證明，細菌在軌道的無重力環境中所經歷的流體剪力總數類似於位在腸壁那些微小空間的總數，Nickerson 說。"太空飛行是一種低流體剪力環境。"

Nickerson 的團隊察看來自於二次前往 ISS 的太空梭飛行（2006 年九月的 STS-115 與 2008 年三月的 STS-123）的沙門桿菌。他們發現在這些「激動（keyed-up）」的細菌中，有 167 個基因的活性，不是比那些沒飛過的細菌更多就是更少。該團隊也確認一種「主開關」，那調控這些相關基因達 1/3，一種稱為 Hfq 的蛋白。這種蛋白的活性也受到太空飛行之低流體剪力狀態的影響。

現在，科學家知道哪些基因與蛋白質幫忙創造出這種毒性暴增效應，他們正研究使用這種資訊來開發新策略以對抗沙門桿菌食源性疾病（food-borne illness），例如疫苗與療法。

該團隊已經發現一種有前途的方法來對抗沙門桿菌的額外毒性：增加離子的衝擊（a dash of ions）。當 Nickerson 以及她的同僚在培養基（那包含五種濃度更高的離子：鉀、氯化物、硫酸鹽、鎂與磷酸鹽）上生長相同品種的細菌時，該細菌的毒性由於太空飛行，不再上升。

"細胞是有趣的東西，" Nickerson 說。"如果你給它們太多或太少某些它們過去時常有的東西，它們如何反應將讓讓你感到驚訝。"

結果證明，許多因太空飛行之低流體剪力環境而活化的基因，涉及將這些離子運進或運出這些細胞，故那可能是一種連結。這種離子效應的研究仍在進行，Nickerson 說，不過她推測，這最終有可能導致新方法，使用這些離子來避開沙門桿菌傳染。

"人們問我的一個問題是，「到底為什麼妳會想要觀察（太空中的沙門桿菌）呢？」我反問道：「為什麼你不想呢？」" Nickerson 說。"每當科學家在極端環境中研究微生物時，我們對於它們如何作用，都會發現驚人的新洞見。太空飛行是另一種極端環境，相對來說那是未經開發的。"

"對我而言那是一件想都不用想的事。"

※ 相關報導：

＊ Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq
http://www.pnas.org/content/104/41/16299.abstract

J. W. Wilson, C. M. Ott, K. Honer zu Bentrup, R. Ramamurthy,
L. Quick 等人
PNAS October 9, 2007 vol. 104 no. 41 16299-16304
doi: 10.1073/pnas.0707155104

＊ Media Ion Composition Controls Regulatory and Virulence Response of Salmonella in Spaceflight
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0003923