教学反思:微生物善变吗?

学术   2024-09-14 13:58   北京  
提问:微生物善变吗?

“我”觉得:善变。微生物、变色龙和人,都是善变的生物。

微生物大部分是单细胞和单倍体,变异频率10-10~10-5之间。由于微生物数目众多、繁殖速度快,因此突变量很惊人,可以在很短时间内得以累计。假定微生物细胞突变率为10-6,那么1 mL OD600为1.0的微生物(约108个)分裂一次就会产生100个突变(2*108)。那么,微生物到底有多么善变呢?

2016年Science发表的一篇文章很好地展示了大肠杆菌是如何攻克抗生素的。作者设计了一个60*120 cm的矩形装置,从两端到中间分别放置0、3、30、300、3000倍MIC抗生素甲氧苄氨嘧啶的泳动培养基,然后接种无抗性的大肠杆菌观测菌株在培养基中的生长状态,并用延时摄影技术记录了整个过程。结果清晰明了,11天时间,菌株对抗生素的MIC提升了1000倍!这个突变速度其实比实际微环境中可能还要慢一些,毕竟固体培养基也会限制菌株的移动速度。文章所用的“巨型培养皿”为研究微生物适应和进化提供了一个很好的舞台。作者进一步对突变体进行了分析,多个共存谱系在表型和基因表型上呈现多样化。通过比较生长最快和稍慢的突变体,结果发现进化并不总是由最具抗性的突变体主导,笑到最后的菌株可能悄悄躲在先驱者的身后,待时机成熟再脱颖而出。在这一点上,狡黠的细菌散发着人性的气味。

一种在空间结构环境中研究微生物进化的实验装置。(A)甲氧苄啶(TMP)四步梯度的建立,在各个部分加入抗生素,使其呈指数梯度向内上升。(B)12天后的TMP巨形平板,大肠杆菌在黑色背景上呈白色。182个采样克隆用圆圈表示,不同颜色表示不同MIC值。(C)巨形平板部分的延时图像

动态观察图


微生物的突变归根结底是遗传物质的突变,基因突变有以下共同特点:①自发性,②不对应性;③稀有性;④独立性;⑤可诱变性;⑥稳定性;⑦可逆性。关于突变的自发性和不对应性在历史中有过激烈的争论和斗争。一种观点认为突变是环境诱导的,因此微生物所产生的抗性形状与诱导的环境因素相对应(例如抗生素、污染物的添加势必诱导耐受和降解菌);另一种观点认为抗性突变是自发产生的,添加的污染物/抗生素并非是诱变因素,最终适应了污染物/抗生素环境的微生物变异菌只是被筛选的结果。直到今天,微生物驯化和富集培养在环境微生物实验室仍是主流的研究策略,但很多学生对其机制仍不清楚。历史上,曾有3个非常经典的实验来证实微生物突变的自发性,分别是Luria的变量实验、Newcombe的涂布试验和Lederberg的影印平板实验。

以影印平板实验为例,首先把对链霉素敏感的大肠杆菌涂布在不含链霉素的平板(1)表面,待其长好后用影印法接种到不含链霉素的培养基平板(2)上,随即再影印到含有链霉素的选择性培养基平板(3)上,由此可保证这3个平板上所生长菌落的位置一致性。在平板(3)上出现了可以抗链霉素的菌落。然后在平板(2)的相应位置上找到对应的菌落挑至不含链霉素的培养液(4)中,培养后涂布在平板(5)上,重复以上步骤。后续只要涂上越来越少的原菌液至培养皿(5)和(9)中,就可出现越来越多的抗性菌落,最后甚至可以得到完全纯的抗性菌群体。由此可知,原始的链霉素敏感菌株只通过(1)→(2)→(4)→(5)→(6)→(8)→(9)→(10)→(12)的移种和选择序列,就可在未接触链霉素的情况下筛选出大量的抗链霉素的菌株,这一严格巧妙的实验证实了突变的自发性,影印平板法在其他研究中也被广泛应用。

影印平板实验原理


DNA损伤犹如生活中的矛盾,很多小小的损伤都在发生的时刻得到了解决,所以不要忽视DNA自我修复能力,这才是真实而时刻发生的事。而一旦突破自我修复产生了突变,也不一定是坏事,有可能是沉默突变,彼此心照不宣,有可能是正向突变,关系更进一步,有可能是回复突变,破镜重圆,也有可能发生了XX的缺失、插入或置换,很难逆转。

古希腊哲学家赫拉克利特提出“人不能两次踏进同一条河流”,强调千绪从云,万物皆流,变化永恒。世界并非静止不变,而是处于永恒的流动和变化之中。尽管表面上看起来我们踏入的河流是同一条,但由于逝者如斯夫,流水、河床、环境、生物都在发生微妙之变化。运动的绝对性和静止的相对性告诉我们,从本质上来说,现在流淌心中的“这条河流”已不再刚刚梦隔千里的“那条河流”了。

当从微生物的世界来理解哲学,形象而易懂。微生物无时无刻都在发生突变,我们体表的、胳肢窝的、脚丫子上的、口腔内的、肠道的微生物不仅在突变,而且在演替。从某种层面来说,“我”也是时刻变化之中。


提问:微生物善变吗?

“我”觉得:善变。微生物、变色龙和人,都善变,一个是基因、一个是外形、一个是内心。

所以,“我”是谁?开头回答的是本我,现在回答的是自我,遥不可及的是超我。


文献引用
Baym M, Lieberman T D, Kelsic E D, et al. Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes[J]. Science, 2016, 353(6304): 1147-1151
Luria S E, Delbrück M. Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance[J]. Genetics, 1943, 28(6): 491
Newcombe H B, Hawirko R. Spontaneous mutation to streptomycin resistance and dependence in Escherichia coli[J]. Journal of Bacteriology, 1949, 57(5): 565-572
Lederberg J, Lederberg E M. Replica plating and indirect selection of bacterial mutants[J]. Journal of Bacteriology, 1952, 63(3): 399-406
周德庆, 《微生物学教程》第四版



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