細菌能以遠距電訊號「發訊息」，招募成員或解決衝突

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2019-08-26

還以為細菌是簡單的生物嗎？最新研究發現細菌能夠在群體中解決社交衝突，能夠像人腦中的神經細胞一樣互相傳遞訊息溝通，也就顯示了這些單細胞生物其實沒有人們想像的簡單！

來自聖地牙哥加州大學的研究團隊發現細菌形成的生物膜群落中，可以透過電訊號主動改變群落中多樣菌種之間彼此的互動。聖地牙哥系統生物學中心副主任、以及聖地牙哥加州大學霍華德休斯醫學研究所的分子生物學教授 Gürol Süel 表示，生物膜上的細菌能夠透過這種方式影響遠距離外的不同群細胞。

大量而多樣的細菌群聚生活，形成有結構的群落就被稱為「生物膜」，是細菌以及其他微生物共同生活組成的表面薄膜構造，例如牙齒上的牙垢就是一種生物膜，這些生物聚集在一起形成的生物膜能夠對化學物質及抗生素具有高抗性。人們對於生物膜組成的過程，以及它們召集其他生物共同生活抵抗攻擊的機制一直不是非常了解，但生物膜的特性已經提供人們許多應用上的價值，譬如預防牙垢形成，或者醫院內多重抗藥金黃色葡萄球菌感染的防治。

而最新發表於知名科學期刊 Cell 的研究結果顯示，細菌可以透過傳遞遠距電訊號給生物膜上其他菌種，進而吸引更多成員進駐該生物膜群落。細菌聚集在具有保護性生物膜的行為有點像精明的商人，它們會放出電訊號當作廣告，告訴周遭其他生物這個生物膜中有哪些成員。這樣的複雜行為推翻了一直以來人們對於細菌的想像，細菌並沒有想像中簡單低等。

讓細菌和平共處

這項研究的第一作者是 Süel 實驗室的博士生 Jacqueline Humphries。他們的研究結果顯示，生物膜內細菌的行為就類似人們向朋友傳送電子訊息，且這樣的機制並不是少數菌種才有的特例。研究結果還顯示，菌種之間也能互相傳遞訊號，細菌能夠放出遠距電訊號，吸引其他菌種加入它們的生物膜。研究團隊新發現的這項機制，未來也可以做為跨物種之間的訊息傳遞例子。

來自聖地牙哥加州大學的生物學家們結合了實驗與數學模型，發現單一物種枯草桿菌（Bacillus subtilis）能夠以電訊號訊息吸引另一菌種綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）。他們首先以微流控（microfluidics）生長箱培養細菌，並記錄枯草桿菌生物膜上用來吸引生長箱內遠處細胞至生物膜邊緣所放出的鉀離子電訊號。

Süel 與他的研究團隊 2015 年夏天發現生物膜內的變動現象，能夠解決群落中各個菌體之間的衝突，使眾「菌」們能夠和平共處、互相合作。但在群落中，除了合作之外，個體之間也需要互相競爭養分，以爭取資源使自己生長。生物膜外緣的細菌距離環境中所含有的生長必需養分最近，而生物膜內側的細菌則可能因為被遮蔽而有營養缺乏的情形，但研究團隊發現生物膜內的變動會發展成相互依賴的模式，規律的定期使外圍細胞暫停生長，讓內側細菌也有獲得養分的機會。

緊接著，研究團隊便發現生物膜內的細菌能夠藉由離子通道蛋白（ion channels）傳遞電訊號和其他細菌溝通，這樣的電訊號傳遞方式和人類神經傳遞訊息的方式非常相似。

而在研究團隊最新的研究中，他們發現生物膜中的細菌以遠距電訊號吸引其他菌種到同一生物膜上生活，這不僅是研究團隊最驚人的發現，還可能改變人們對細菌如何影響人類健康的了解。

研究團隊表示，他們最新的研究結果發現，在腸道菌等含有多種細菌的細菌社群中，細菌們會利用電訊號傳遞訊息以相互調控。研究團隊推測細菌甚至可能在人類腸道內互相以電訊號交流，未來研究成果或許能夠打開另一扇門，以電訊號為基礎，用生醫技術控制細菌行為以及細菌社群組成。