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细菌基因扩散将会带来什么后果

来源:科普时报 作者: 2017年09月29日 10:27
[导读] 

□ 科普时报特约撰稿 谢小军

正在接合的两个细菌

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

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

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。

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。

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”。

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。

第一次发现细菌的转化现象是著名的肺炎链球菌实验,这也是一次证明DNA是生物遗传物质的经典实验。1928年,英国科学家格里菲斯发现将肺炎链球菌的不致病菌株和已被加热杀死的能致病菌株混合去感染小鼠,结果小鼠染病死亡,从小鼠体内分离出活的能致病菌株。1944年,美国科学家艾弗里将不致病菌株和能致病菌株的DNA混合,结果小鼠仍然染病死亡,并分离到能致病菌株,由此可见遗传因子是位于DNA上的。现在已经很清楚,这实际就是细菌的转化结果,带有致病基因的DNA片段进入非致病型细菌体内发生同源重组,从而使不致病的菌株也具有了致病能力。

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。

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(常被称为雄性细菌)伸出长长的性菌毛搭在没有质粒的细菌(雌性细菌)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。

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(如DNA)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。

细菌基因的交流和扩散是改造自身的方式,以便更好地适应环境,对于细菌本身总体而言是有益的。但对于人类而言,却况味杂陈,利乎?弊乎?都有。

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[责任编辑:xiangzheng]
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