阿肯色州立大学的研究人员鉴定出一种之前从未发现与肉跛足有关联的细菌物种,这使得科学家在探寻预防感染解决方法的道路上更进一步。

随着人们对耐抗生素的“超级细菌”关注度逐渐提升,Salk研究所的科学家们也许找到了能够解决这一难题的办法――即肠道部位寄生的、有时会移动到其它器官组织的“超级英雄”细菌。这些细菌能够减轻感染带来的长期负面效应。

威尼斯手机版娱乐场 1

威尼斯手机版娱乐场 2

科学家在对新疆准噶尔盆地古尔班通古特沙漠的研究中发现,细菌和藻类、地衣、苔藓等孢子植物在固沙方面作用巨大。
面积4.8万平方公里的古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地腹部,是我国最大的固定和半固定沙漠。这里稀疏的荒漠植被和冬春起风季节的少量降水,被认为是阻止沙漠起沙的原因。但科学家对大面积分布于沙漠表面的绿色、黑色以及灰黑色覆盖物进行研究后认为,长期以来人们忽略了孢子植物形成的”生物结皮”在维持沙漠稳定方面的突出作用。
中国科学院新疆生态与地理研究所研究员张元明,正在对古尔班通古特沙漠奇特的微观世界进行探索。他在1000至2000倍的电子显微镜下,看到了”生物结皮”的真实结构,细小的沙粒并不是以单独颗粒的形式存在,而是被微生物形成的黏液粘连,或者被藻类、地衣和苔藓的假根捆绑起来。
“生物结皮其实是最接近细沙的防护网,束缚了沙粒的流动,从而起到固沙的作用。”张元明说。他通过地物光谱和遥感技术观测到,古尔班通古特沙漠表面约有40%至60%的表面被这种特殊”皮肤”覆盖,与之形成对比的是我国最大的流动沙漠塔克拉玛干沙漠表面没有这种覆盖物,其活化程度远远大于前者。
在进一步的研究中,科学家发现了自然界中4种生物形成不同结皮的替代过程,也掌握了生物结皮在每个阶段的发育特征:微生物形成的结皮厚度为2至3毫米,藻类和地衣形成的结皮厚度为20至30毫米,而苔藓结皮能够达到80至100毫米,它的抗机械力也最强。试验测定的数据表明,裸露的沙地在风速为每秒钟8.42米的条件下就能起沙,而全部覆盖”生物结皮”的沙地则在任何条件下都不能起沙。专家警告说,人类的放牧等活动将”生物结皮”破坏30%后,沙漠地表将不能克服风蚀影响,而破坏程度达到80%后的沙面抗风蚀能力则等同于裸沙。
生物结皮的生长替代过程在实验室得到模拟,微生物、藻类、地衣和苔藓分别形成了完整的结皮,同时还证明了其降低沙粒粒径、固氮肥壤的作用。科学家乐观地预测,利用”生物结皮”机理进行固沙的新技术,将为人类治理风沙灾害节约很大的社会资源。
张元明说,沙漠中的微生物和孢子植物依靠早晨的少量露水维持生命,能够适应在零下10摄氏度到60摄氏度之间的低营养环境。通过播撒培养剂和供应少量水分,使其在大面积流沙中”定居”,就能实现固沙,补充完善我国目前采用的”乔、灌、草”结合的防风固沙生态体系,尤其适合用于荒漠化地区实施重大工程后对地表破坏的恢复。
据了解,美国和加拿大等国的科学家已经对”生物结皮”作了大量研究,目前还没有实际应用于固沙实践。我国研究人员提出了相反的研究课题,论证”生物结皮”是否会影响降水下渗,损害其他植物用水等反面命题,研究”生物结皮”作为治沙技术的可行性。张元明说:”乐观地估计,这项技术在3至5年后即能推广,将是对固沙理念的拓展。”来源:新华网

研究人员以铁网地面养殖的肉鸡为材料,利用基因工具断定
agnetis葡萄球菌是致使肉鸡跛足的显着参与因素,阿肯色州立大学细胞和分子生物学跨学科研究生项目主任,生物学教授Douglas
Rhoads说。

在最近一期发表在《science》杂志上的一篇报告类文章中,salk研究所的研究人员发现小鼠微生物组中的一类大肠杆菌能够提高小鼠对肺部以及肠道感染的耐受性,具体体现在一般小鼠在受到感染时肌肉组织会出现消解,这一类细菌能够有效阻止这种情况的发生。如果人类体内能够找到具有相似特征的细菌,我们就有办法治疗由抗生素耐受性细菌引发的感染类疾病,比如脓毒症等。

这张彩色照片是由大肠杆菌绘制的。图片来源:J. Fernandez-Rodriguez et al.

Syn 3.0仅拥有473个基因。图片来源:MARK ELLISMAN

之前认为这种细菌与牛乳腺炎有关,但与鸡跛足无关。

“一直以来,我们对于治疗微生物感染的方案都集中在消除这些微生物上,然而真正具有致命性的并不是微生物感染本身,而是感染进一步引发的副效应。”该研究的主要作者,来自salk研究所的助理教授Janelle
Ayres说到。

为了展示合成生物学的力量,研究人员将一种原始的彩色视觉设计到细菌当中,并让这些微生物画出了它们“看到”的景象。

当谈到基因组的大小时,一种被称为衣笠草的罕见日本植物无疑是当下的重量级冠军——其脱氧核糖核酸数量是人类的50倍。而在天平的另一端,一个新的轻量级纪录保持者如今诞生在美国加利福尼亚州的一个培养皿中。在3月25日出版的《科学》杂志中,由基因组测序先驱Craig
Venter率领的研究人员报告称,他们设计并制造出一种在自由生物体中具有最小基因组,以及最少基因的细菌,但却依然具有自我复制能力。

跛足会使鸡遭受痛苦,而且得病的鸡不适合人类食用。根据粗略估计,阿肯色州家禽业每年因跛足鸡的损失将导致养殖户损失大约2000万美元。

“我们的研究证明,对于一些损伤的阻止,比如肌肉消解症状,能够明显延缓感染造成的长期性危险”。如果我们不对这些细菌赶尽杀绝,它们也不会快速地进化从而变成我们都无能为力的超级细菌。

转基因大肠杆菌能够感知到红色、绿色和蓝色的光线,并且它们通过产生与各种颜色相应的色素加以响应。将光线投射到装有这些细菌的培养皿上会使它们生成有颜色的“照片”,尽管这些照片的曝光时间长达18个小时。

这种被称为Syn
3.0的新有机体的基因组仅留下了生存和繁殖所必需的473个基因。相比之下,人类的基因数量超过2万个。哈佛大学合成生物学家George
Church表示:“这是一项杰作。”科学家认为,这是生命科学领域的突破性进展,将有助推进对生命奥秘的认知。

团队的研究成果于11月25日发表在公共科学图书馆在线开放性期刊PLOS ONE上。

抗生素曾经是世界上最有效、最具革命性的药物,然而由于在强烈的药物刺激压力下,细菌发生着快速的进化,如今也达到了其极限。抗生素耐药性的显现使得人类健康再一次面临感染的威胁,自抗生素发现以来一度被认为是轻而易举可以治愈的疾病如今也再次成为了我们的噩梦。最近一项研究指出:美国医院中发生的感染,其中一半的致病菌对常规的抗生素都是十分耐受的。

主持这项研究的美国剑桥市麻省理工学院的Christopher
Voigt表示,对RGB敏感的转基因大肠杆菌构成了一个玩具系统,而该系统可以作为一个更为复杂的生物学程序设计的垫脚石。Voigt将这些实验得到的照片挂在了自己办公室的墙上。科学家在最新出版的《自然—化学生物学》杂志上报告了这一研究成果。

微生物流线型的遗传结构激起了进化生物学家和生物技术专家的兴趣,他们预期一个接一个地添加基因便能够研究这些基因的作用。剑桥市麻省理工学院合成生物学家Chris
Voigt表示:“这是创建一个基因组被完整定义的活体细胞的重要步骤。”但是Voigt和其他科学家指出,目前距离完整定义依然还很遥远,这是因为Syn
3.0有149个基因——大约为1/3——依然不知其功能为何。研究人员的首要任务是探索这些基因在生物体中扮演的角色,从而有望为关于生命的基本生物学带来新的认识。

“肉鸡跛足是重大的福利和财务问题,”Rhoads说。“这是对肉鸡中这种缺乏介绍的病原体的首次报道。”

根据美国疾病预防控制中心的报告,仅在美国范围内,每年有将近200万人受到耐药菌感染,其中23000因此死亡。

早在2005年,由Voigt率领的一个研究团队便通过设计使大肠杆菌能够对光线做出响应并产生一种黑色素,从而生成黑白图像。这项研究需要将4个基因插入大肠杆菌,其中包括一个编码采自一种蓝藻细菌的光敏蛋白的基因,以及一个编码一种使特定化学物质变黑的蛋白的基因。

就像Syn
3.0的名称所暗示的,它并非Venter制造的首个合成生物体。Venter说:“我们的研究表明,生命是如此复杂,即便是最简单的有机体也是如此。”Venter表示,要回答生命的基础问题,唯一方法是获得最简单的基因组;而要达到这个目的,唯一方法可能是人工合成基因组。因此他们从1995年开始努力,其间仅因为参与首个人类基因组测序工作而短暂中断。

阿肯色州立大学家禽科学教授Bob
Wideman介绍说,在铁网地板上饲养肉鸡是导致肉鸡跛足的一个影响因素。研究结果表明,包括Wideman也这么认为,S.
agnetis也是导致这些肉鸡跛足的一个影响因素,Rhoads说。

“抗生素曾经是医药界了不起的成就,然而利用药物对细菌进行杀灭具有其天然的弱点”,这项研究共同作者,来自Ayres
的科研助理Alexandria Palaferri Schiebe
说到:”大多数研究者们至今仍在一门心思地寻找新的抗生素,然而这只是在为医生与细菌之间的军备竞赛火上浇油。立足于疾病的耐受,即主要抑制这些疾病对人体造成的损害而不去管致病菌本身,才是有希望的一条新路”。

RGB系统使用了18个基因,其中包括编码光敏蛋白的3个基因。马萨诸塞州波士顿市哈佛医学院系统生物学家Pamela
Silver表示:“在复杂性方面,它超越了原有的黑白体系。”

2010年,Venter的研究团队报告说,他们合成了丝状支原体的单独染色体(被称为Syn
1.0),并将其移植到另一种山羊支原体中。经过几次失败的尝试,研究人员最终发现,这种合成的微生物能够正常生成蛋白质。

这项研究起始于Adnan A. K. Al-Rubaye
的博士论文工作,他现在是讲师同时身为细胞和分子生物学研究生项目副主任,参与该项目的博士生Sohita
Ojha 和奥奇塔浸会大学的本科生Joseph Koon都对本研究做出了贡献。

致力于解决感染等一系列问题,Ayres团队将目光转向了微生物组。在人体内,微生物的细胞数量甚至是体细胞的10倍,其总重量达到了体重的3%。尽管如此,这些微生物对我们人体的发育,以及与免疫系统的关系究竟如何还不清楚。

Voigt指出,更广泛的目标是要找到在细菌中利用不同颜色的闪光开启和关闭许多基因的方法。例如,研究人员可以通过使用光来阻止和启动反应,从而使细菌产生符合要求的复杂分子。

在当前的工作中,Venter与J. Craig Venter研究所的Clyde
Hutchison等人通过剥离Syn
1.0携带的不必要的基因,从而尝试确定生命所需的最小基因集合。

该研究的基因序列重组在阿肯色州高性能计算机中心和俄克拉荷马州立大学的高性能计算机中心完成。来自阿肯色州高性能计算机中心的Jeff
Pummill和来自俄克拉荷马州立大学的Brian Couger是本研究的共同作者。

Ayres从研究生时期就开始从事这方面的研究,她猜想肠道的微生物群体中可能包含着能够保护机体免受感染损伤的细菌类别。“已经有很多证据支持这一观点,但至今仍没有任何一株细菌被鉴定,确认对机体有保护作用”。

Voigt表示,在大尺度上用光刺激微生物而不是将其暴露于特定的化学物质中可能会更加容易和廉价。他已经为自己的光敏系统起了一个吸引人的名字——迪斯科细菌。

研究人员最初分为两个团队,每个团队都有一个相同的任务——利用所有可用的基因组知识设计一种具有假定最小基因组的细菌染色体。随后两者被合成并移植到山羊支原体中,从而看看是否会生成一个有活力的生物体。

美国国立卫生研究院和阿肯色州生物科学研究所对本研究提供了部分资助。

基于这一背景,他们以小鼠为实验对象,通过筛选,他们发现有部分小鼠对感染引发的肌肉组织消解十分耐受,通过比较这一类特殊的小鼠与普通小鼠体内的微生物群体,他们发现一类大肠杆菌菌株只在耐受型小鼠体内出现。当普通的小鼠通过饲喂定殖这一类大肠杆菌后,它们也获得了在感染期间肌肉组织消解损伤的耐受性。

大肠杆菌在相当长的一段时间内,一直被当作正常肠道菌群的组成部分,认为是非致病菌。直到20世纪中叶,才认识到一些特殊血清型的大肠杆菌对人和动物有病原性,尤其对婴儿和幼畜,常引起严重腹泻和败血症,它是一种普通的原核生物,根据不同的生物学特性将致病性大肠杆菌分为六类。

“最大的新闻是我们失败了。我很惊讶。”Venter说,“我们当前的生物学知识尚不足以设计并构建一个活的有机体。”

下一步,他们希望研究这一类细菌是通过怎样的方式使小鼠获得这一耐受特征的。通过与同研究所的Ronald
Evans实验室合作,他们发现:在感染期间,大肠杆菌从肠道迁移到脂肪组织,从而介导了肌肉组织的保护效应。

合成生物学是生物科学在21世纪刚刚出现的一个分支学科,近年来合成生物物质的研究进展很快。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同,合成生物学的研究方向完全是相反的,它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的做法不同,合成生物学的目的在于建立人工生物系统,让它们像电路一样运行。2003年,国际上将其定义为基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究,从基因片段、DNA分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成,类似于现代集成型建筑工程,将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域。合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。

于是,研究人员在首个合成细胞的基础上,不断尝试删除其基因组中不必要的基因,最终把Syn
1.0中901个基因删除约一半,只剩下473个基因,即Syn 3.0。

一般情形下,肺部或肠道感染的小鼠体内IGF-1(insulin-like growth factor
1)激素水平会下降,这一激素是维持肌肉质量的主要信号分子。然而,保护性的大肠杆菌能够激活IGF-1信号通路,使IGF-1保持在一个正常的水平,因此尽管在感染期间依然保持了稳定的肌肉质量。

Venter表示,Syn
3.0的基因组还可进一步简化,删掉一些与维持生命无关的基因,但这些基因影响生长速度,删除后细胞数量增长极其缓慢,无法用于实验目的。

该团队发现大肠杆菌维持体内IGF-1含量的方式是基于细胞内一个叫做“炎症小体”的蛋白质复合体实现的。在炎症反应过程中,炎症小体介导了下游炎症因子的释放。大肠杆菌利用相同的信号“提醒”机体异常状况的出现,从而保持了IGF-1的水平。

至于这项工作带来的启发,Venter说,一个启发就是认识生命要从整个基因组角度综合来看,而不是独立的基因。“生命更像一个交响乐团,而不是短笛演奏家”。这一理论同样适用于人类基因组,因为他们发现人类多数疾病症状受整个基因组上突变的影响,而不是单个基因。

这一“超级英雄”细菌在人类体内是否存在目前还不清楚,Ayres团队目前正在质粒与研究该大肠杆菌的“药效”维持时间,以及人类体内是否存在这一类细菌。

这项研究成果将有望应用在多个领域,包括生物化学、营养学、农业以及生产新药物与生物能源等。“我认为这是一个新时代的开始,”Venter说。

“目前仍有许多问题需要解释,不过这对于医药研究提供了新的思路,即微生物也许可以作为药物进行使用。”

Venter表示:“我们还不能说这就是最终的最小基因组。”但截至目前,Syn
3.0绝对是这个世界上新的轻量级冠军。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图