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新葡萄京娱乐场手机版细菌基因扩散将会带来什么后果,你知道多少

文章作者:数理科学 上传时间:2019-12-01

何为基因的扩散?细菌基因是如何扩散的?这要从细菌的生殖说起,许多人都知道细菌主要是通过简单的的裂殖来繁衍后代,即身体一分为二,产生两个儿子,继续分裂,产生四个孙子,以此类推。这是一种简单的无性生殖方式,那么,细菌还能进行雌雄分工参与的有性生殖吗?迄今为止在细菌中没有发现严格意义上的有性生殖,但细菌之间也能像有性生殖一样实现基因的交流,例如,当一种细菌携带着抗生素抗性基因到达新的地方生活时,这些抗性基因不仅可以通过裂殖遗传给自己的后代,还可能传递给周围的细菌邻居,这便是基因的扩散。

Stanley Norman Cohen的基因工程实验室

科学家还发现,许多在自然界中不能发生转化的细菌经过一些特殊人工处理也能吸收外源DNA片段甚至整个质粒(质粒是细菌体内位于其染色体外的一种小型环状DNA)。这个现象对于现代遗传工程非常重要,这是工程菌株获取人类感兴趣的外源基因的重要途径。

这有点类似于有性生殖生物中的性别,其中含有F因子(一种可以表达性菌毛的质粒)的可以类比为「雄性菌」,没有F因子的可以类比为「雌性菌」。「雄性菌」可以通过其上的性菌毛与「雌性菌」发生短暂的接合作用,这一短暂的接合当中,「雄性菌」会把这个F因子的质粒复制并转移给「雌性菌」,从而使之也变成「雄性菌」。这一现象的发现也为我们进行不同菌种之间的遗传物质交流等分子生物学及微生物遗传学的研究,提供了一个非常好的方法。

人类正以前所未有的速度和规模改变着微生物的全球迁徙和分布。这种巨变以不可预估的方式改变着生活环境,例如大量抗生素抗性基因在细菌之间扩散,使细菌耐药性问题更难以控制

最后,再为大家介绍一下大肠杆菌在生物能源方面的应用。传统能源比如说像石油、煤炭等总会有用尽的一天,而对于发展它们的替代能源,科学家们也做了不少的研究。而在生物能源方面,大肠杆菌无疑是一个有重要戏份的角色。比如说Hiroyasu Yamamoto等在2011年通过基因改造,成功使大肠杆菌将植物中的糖转化为与传统柴油几乎一样的碳氢化合物,他们称之为「生物柴油」;还有的团队,比如说Pauli Kallio等科学家在2014年也同样通过基因改造,使得大肠杆菌可以生产出丙烷,丙烷作为一种清洁能源,市场也十分的广泛……

正在接合的两个细菌

为什么叫“大肠杆菌”?

转导是细菌病毒(它们有一个霸气的正式名字——噬菌体)介导的遗传物质交流,噬菌体同其他病毒一样也是由蛋白外壳包裹遗传物质构成,这些病毒粒子是在细菌细胞体内装配的,有时由于极偶然的“机械故障”,蛋白外壳和细菌DNA片段装配成了病毒粒子。这样的噬菌体侵染细菌细胞自然可以将细菌核酸带入细菌体内,进而再发生同源重组。

大肠杆菌,顾名思义是一种直杆状、棒状的细菌,它大约长2微米,菌体直径大约0.25至1微米,算是一种中等大小的杆菌了。它同时还是一种兼性厌氧的细菌,也就是说当有氧气存在的时候它可以利用氧气进行呼吸氧化,而当没有氧气的时候它则进行无氧发酵。这一点十分有利于它在肠道这种复杂环境中生存。

接合是细菌以质粒为中心的基因传递,也是最接近有性生殖的基因交流方式。某些有质粒的细菌伸出长长的性菌毛搭在没有质粒的细菌身上,质粒可以一边复制一边通过中空的性菌毛向无质粒细菌传递,最后无质粒的细菌可获得一个一模一样的质粒,也就获得了质粒上携带的相应的基因(雌菌变雄菌了,奇特吧)。人类病原菌的某些抵御抗生素的基因就由质粒携带,通过接合发生的质粒的转移很快就会使一个细菌群落发生抗药性,这让医学家们深感头疼。

在讲两位科学家和大肠杆菌结缘的故事之前,有必要先跟大家讲解一下「质粒」。我们都知道,细菌作为原核生物,是没有细胞核的,它的基因组DNA是一团单一的密闭环形DNA,上面含有的都是细菌生长必不可少的基因。然而质粒则不同,尽管都是环形DNA,但是质粒是细菌染色体之外的遗传物质,存在于细胞质中。质粒上面含有的基因多是编码像菌毛、毒素及耐药性的产生等,因此并不是细菌生长所必要的,它所体现的更多是一种「加成」的作用。

据媒体报道,中国环境科学家领衔的国际团队最近系统阐述了微生物通过人与动物、污水及其他物质的流通在全球范围的迁徙及其环境与生态效应。科学家认为,近百年来,人们通过废弃物排放、旅游、全球运输等方式,将大量微生物及其基因带入新环境,人类正以前所未有的速度和规模改变着微生物的全球迁徙和分布。这种巨变以不可预估的方式改变着生活环境,例如大量抗生素抗性基因在细菌之间扩散,使细菌耐药性问题更难以控制。

大肠杆菌对于营养的要求并不高,在我们实验室培养的时候,利用那种最普通的琼脂平板,在37℃进行过夜的培养,就能生长出2-3毫米的灰白色菌落。当然,它在人类肠道中的繁殖会更慢一些。

大肠杆菌的菌落(www.bacteriainphotos.com)

所谓转化就是细菌直接吸收生活环境中的基因。一些细菌死亡后由于身体的裂解,携带基因的DNA片段被释放到环境中,随后被其他活着的细菌吸入体内。这些DNA进入细菌体内后可以和细菌自身DNA上的相似部位交换(科学家称之为同源重组),这样这个细菌就获得了外来基因。

早在1885年,德国-奥地利籍的儿科医生Theodor Escherich在健康人的粪便中发现了这种细菌,并将其命名为“普通大肠细菌”(Bacterium coli commune),因为它是在结肠(colon)中被发现的。但是后来,为了纪念Theodor Escherich医生的伟大发现,科学家们重新定义并命名了该属为Escherichia,所以大肠杆菌的分类学名字Escherichia coli便是这样来的。

贴附在细菌身上的噬菌体可将自己的遗传物质注入到细菌身体里

大家可能会觉得基因工程不过是科研上的事,与普通人的生活并没有太大的联系。事实上并不是。你可以想象吗?它们就像是一个个小型的「生物工厂」,现代社会我们使用的医用人胰岛素、人干扰素、乙肝疫苗以及多种药物等,绝大多数或者相当部分都是由大肠杆菌表达我们特定的外源基因而生产出来的,大大降低了这些物质原本生产的成本,也为医学的发展做出了重要的贡献。

细菌主要通过三种方式来实现这种基因传递,即“转化”、“接合”和“转导”。

早期大肠杆菌电镜图片

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