掠食性细菌凶猛、迅猛且潜力无限

细菌捕食者像狼、鱼雷和吸血鬼一样战斗,它们可能提供下一代抗生素

3-D structure of Bdellovibrio bacteriovorus bacterium, including membrane (purple), nucleoid (yellow), ribosomes (dark red) and dense granules (green).

噬菌<0xC2><0xA0>蛭弧菌的三维结构,包括膜(紫色)、核区(黄色)、核糖体(深红色)和致密颗粒(绿色)。蛭弧菌是一种可以侵染其他细菌的掠食性细菌。

1962年,柏林的研究员海因茨·斯托尔普在寻找新型病毒时,他用完了用于从样本中过滤病毒的过滤器。因此,他换用了孔径稍大的过滤器:1.35微米而不是0.2微米。通常繁殖非常快的病毒没有在涂有细菌作为病毒食物的玻璃板上生长,在那种情况下,应该扔掉这些内容物。

但他没有来得及处理,几天后,出现了诱人的迹象:细菌草坪上出现了孔洞。某种非常小的东西——但不是病毒——正在吃他的诱饵。斯托尔普不是傻瓜,他抓住机会来识别一种新的捕食者。

在他的显微镜下是一群噬菌蛭弧菌。没有细菌学家曾经遇到过斯托尔普现在看到的东西:一种专注、活跃和精细的杀手。


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蛭弧菌微生物是寻找细菌的鱼雷,有时被称为“世界上最小的猎手”。它们只有典型细菌的五分之一大小,但能量惊人。单个蛭弧菌四处冲撞直到撞到猎物。当它撞到时,冲击力非常猛烈,以至于受害者会后退几个细胞长度,并在几秒钟内停止移动。

蛭弧菌弹道式地附着在受害者身上,钻入内部,像越野队在10公里赛后的自助餐上一样清理这个地方。它解除猎物内脏的系统非常先进(一位作者将这个过程称为“精细的分子解剖”),当它吃完后,剩下的只有幽灵和膜碎片。

大多数细菌吃碎屑或产生自己的食物。但是自从斯托尔普发现猎手蛭弧菌以来,科学家们已经意识到掠食性细菌是多样化的、重要的并且具有潜在用途的。它们与变形虫和病毒等杀手竞争,成为土壤中大量细菌群的淘汰者,科学家们希望它们也可以在人类和动物中作为动态抗生素发挥作用。

一旦科学家们弄清楚要寻找什么,他们就发现了几乎无处不在的类蛭弧菌生物,包括鸟类和哺乳动物的粪便,甚至可能包括人血,在人血中发现了具有掠食性细菌特征的短核酸序列。就像捕食细菌的病毒一样,它们可能现在就在你的体内。

大多数细菌捕食者不像蛭弧菌那样侵入它们的猎物,但它们的策略也同样具有创造性。溶菌酶菌属专门从事接触即摧毁,不仅可以摧毁其他细菌,还可以摧毁绿藻、真菌甚至叫做线虫的小型蠕动动物。

顾名思义,吸血弧菌属吸血球菌属具有细胞骨架突起,有时被称为“尖牙”,它们会刺入猎物体内,然后吸干内容物。其中一些吸血鬼实际上是素食主义者:绿藻吸血弧菌捕食绿藻。它非常擅长这项工作,以至于它已成为旨在生产生物燃料的实验性藻类生物反应器中的害虫。一旦它进入其中一个反应器,几乎100%的作物会在一两天内死亡。

其他细菌则以“狼群”的方式狩猎。蛇形菌属细菌是巨大的滑行丝状体,长度可以超过一毫米,显然是退化的藻类。在显微镜下,它们看起来像一群蛇,并使用它们的集体力量像撞击锤或推土机一样在猎物的菌落中打孔。一旦进入内部,它们就会通过释放破坏性化学物质来焚烧村庄,而其他蛇形菌属细胞则形成一道墙来防止逃脱。然后它们都会饕餮盛宴。

一组称为螺旋藻属的滑行螺旋形细菌似乎偶然发现了某些真菌、植物和许多蜘蛛所采用的策略:它们用其粘性身体捕捉猎物,有时甚至长出网。有些可以通过尾尖捕捉游泳的细菌,而这些细菌在被抓住后会在其轴线上徒劳地旋转。这些捕食者甚至可以通过像沙虫和卡瓦塔皮意大利面的粘性微小后代一样移动来简单地拾取食物。

然而,这个动物园可能仅仅是开始。我们仍然对掠食性细菌的真正多样性或重要性知之甚少,与动物的知识差距大到令人发指。对于那些在家中关注的人来说,斯托尔普在1962年发现蛭弧菌相当于在1676年发现角马(荷兰科学家安东尼·范·列文虎克首次发现细菌的那一年),但在近300年后才注意到狮子。

为了开始掌握掠食性细菌的真正生态力量,2021年4月发表在mBio上的一项研究测量了捕食者对直接添加到北美15个野生地点栖息地中的放射性标记食物的反应。它发现,当食物充足时,像蛭弧菌吸血弧菌属这样的专性捕食者比非掠食性细菌生长、代谢和进食快得多。而且食物越多,它们在生态系统中就越占优势,这一发现也适用于掠食性动物。

作者得出结论,细菌作为土壤捕食者的重要性堪比病毒和更复杂的微生物,例如我们已经进行了更广泛研究的变形虫。如果这是真的,那将是一件大事。在本世纪,我们可能会发现我们非常关心地球系统模型的准确性。如果是这样,我们将想尽可能多地了解对土壤和水的生产力具有巨大力量的细菌。

但是细菌捕食者的意义不仅仅局限于生态学。这些微生物的生化武器库是生物技术的丰富目标急需新的抗生素。科学家们已经提出并测试了在动物中使用整个掠食性细菌的想法——局部应用、摄入甚至注射——作为活抗生素。值得注意的是,到目前为止,它们在实验动物中似乎既安全又有效。对于病原体来说,抵抗狡猾、可进化的捕食者可能比抵抗我们目前使用的静态生化抗生素更难以捉摸。

如果说从蛭弧菌及其同类的故事中可以吸取一个教训,那就是一个熟悉的副歌:资助对多样化生物体的基础研究至关重要,这不仅因为它本身很重要,而且因为重大的发现潜伏在我们最意想不到的地方。苏格兰微生物学家亚历山大·弗莱明在研究“纯粹的学术细菌学问题”时偶然发现了青霉素。微生物学家埃马纽埃尔·卡彭蒂耶和生物化学家詹妮弗·杜德纳只是试图了解化脓性链球菌如何防御病毒,当他们最终了解了CRISPR-Cas9的工作原理和深远用途时。斯托尔普正在寻找豆类病原体的病毒捕食者——仅仅是为了分类目的——当时他发现了世界上第一个专门的细菌捕食者。

这是一篇观点和分析文章,作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。

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