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科技

綠膿桿菌演化速度驚人,全球擴散揭示細菌適應新境的奇蹟

明日科學

更新於 07月05日12:05 • 發布於 07月05日12:00 • 高 詩豪

近來的研究發現,環境中的細菌——綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa),在過去200年內迅速演化並全球擴散,這一過程可能是由人類行為的變化所驅動的。

綠膿桿菌是一種致命的多重耐藥性感染細菌,每年全球有超過50萬人死於此病,其中超過30萬人與抗菌素耐藥性(AMR)有關。特別是患有慢性阻塞性肺疾病(COPD)、囊性纖維化(CF)和非囊性纖維化支氣管擴張症的患者尤其容易感染。

為了探究這種細菌如何從一種環境生物演化成為專門的人體病原體,來自劍橋大學的國際研究團隊分析了近1萬個來自全球感染者、動物和環境的樣本DNA數據。研究發現,幾乎七成的感染是由僅21個基因克隆(「家族樹」分支)引起的,這些克隆在過去200年內迅速演化並全球擴散。

這一擴散很可能是由於人類開始生活在人口稠密地區,這些地區的空氣污染使我們的肺更容易受到感染,並且感染傳播的機會更多。

囊性纖維化患者,巨噬細胞無法清除綠膿桿菌

這張圖說明了綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)如何在特定宿主中演化,分為以下幾個步驟: 基因轉移:環境中的綠膿桿菌通過水平基因轉移,獲得新的基因,形成具有流行潛力的克隆。 宿主偏好:新興的克隆因為基因表達的變化,顯示出對囊性纖維化(CF)患者的偏好,這些細菌能更好地在CF患者的巨噬細胞內生存。 不同演化路徑:感染CF和非CF患者的綠膿桿菌會沿著不同的演化路徑演化,這由影響傳播和適應性的基因突變決定。 宿主專化:由於這些變化,CF和非CF患者之間的傳播受到限制,形成宿主專化。 這些步驟展示了綠膿桿菌如何演化成為特定宿主的病原體,以及在不同患者群體中的適應性變化。(圖/《Science》)
這張圖說明了綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)如何在特定宿主中演化,分為以下幾個步驟: 基因轉移:環境中的綠膿桿菌通過水平基因轉移,獲得新的基因,形成具有流行潛力的克隆。 宿主偏好:新興的克隆因為基因表達的變化,顯示出對囊性纖維化(CF)患者的偏好,這些細菌能更好地在CF患者的巨噬細胞內生存。 不同演化路徑:感染CF和非CF患者的綠膿桿菌會沿著不同的演化路徑演化,這由影響傳播和適應性的基因突變決定。 宿主專化:由於這些變化,CF和非CF患者之間的傳播受到限制,形成宿主專化。 這些步驟展示了綠膿桿菌如何演化成為特定宿主的病原體,以及在不同患者群體中的適應性變化。(圖/《Science》)

這些「流行克隆」對感染特定類型的患者有內在偏好,有些更傾向於感染囊性纖維化患者,而另一些則偏向非囊性纖維化患者。研究發現,綠膿桿菌可以利用囊性纖維化患者中一個未知的免疫缺陷,讓它們能夠在巨噬細胞中生存。巨噬細胞是負責「吞噬」入侵生物的細胞,但在囊性纖維化患者中,巨噬細胞無法清除綠膿桿菌。

一旦感染肺部,這些細菌會進一步演化,變得更加適應特定的肺部環境。這導致某些克隆可以在囊性纖維化患者之間傳播,而其他克隆則在非囊性纖維化患者之間傳播,但幾乎不會在兩組患者之間交叉傳播。

劍橋大學英國囊性纖維化創新中心主任安德烈斯·弗洛托教授表示:我們對綠膿桿菌的研究揭示了囊性纖維化生物學的新知識,並顯示了我們可能改進免疫力的方法。

此研究強調了需要對所有高風險患者群體進行系統的、主動的篩查,以檢測並防止更多流行克隆的出現。

這項研究的詳細內容已發表在《Science》期刊上。

更多科學與科技新聞都可以直接上 明日科學網 http://www.tomorrowsci.com

首圖來源:Pixabay cc By 4.0

圖片來源:Sciencecc By 4.0

參考論文:
1.Evolution and host-specific adaptation of Pseudomonas aeruginosa Science

延伸閱讀:

1.高雄食安風波引關注,食藥署全國冰品稽查:腸桿菌超標業者遭罰3萬

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