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微观世界获奖文章 #3:大肠杆菌性感多久了?

探索大肠杆菌的水平基因转移,细菌通过 F 菌毛分享 DNA,重塑微生物进化和抗生素耐药性。

作者:Carl Zimmer
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现在我们来看看关于 Microcosm 的第三个获奖问题Kenatiod 写道:

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很久以前,在细菌学课上,老师(一所前天主教学院的退休修女)告诉我们关于用于传递 DNA 的 F 型菌毛,大肠杆菌可以通过它们进行“性行为”。一个学生问:“为什么称它们为 F 型?”老师刚要回答,但又停住了,然后脸涨得通红。全班开始大笑,然后老师也笑了,接着有人问:“还有其他种类的菌毛吗?”老师镇定下来,说了一句“谢谢”,然后课程继续。我想知道这两个问题的答案,以及这些微小生物在进化史上何时开始进行“性行为”。

请继续阅读,了解关于“性”的答案……菌毛是从大肠杆菌和其他细菌表面长出的毛发状结构。大肠杆菌利用不同种类的菌毛执行不同的任务,例如相互附着形成所谓的生物膜。但最著名的菌毛是 Kenatiod 的老师提到的 F 菌毛。F 代表……等等……生育力(fertility)。它是一种特别长的管道,连接一个微生物到另一个,不是为了结合它们,而是为了让 DNA 从管道建造者流向接收者。科学家们花了很长时间才发现这种管道,起初他们只知道存在某种因子,一些大肠杆菌拥有这种因子,可以使它们捐献 DNA。起初他们认为这种捐献就像雄性和雌性动物之间一样——因此得名生育力。现在他们知道了。正如我在回答第一个获奖问题中解释的那样,这种微生物版本的性器官的发现,是生物学史上的一个重大事件。起初,科学家们之所以兴奋,仅仅是因为这意味着他们可以对大肠杆菌进行强大的实验来学习基因的工作原理。但今天,科学家们认识到它代表着实验室以外的生命所具有的深刻意义。大肠杆菌和其他微生物不仅仅是将 DNA 从一代传给下一代,就像我们一样。它们还进行一种自然的基因工程,将 DNA 注入其他生物体。菌毛只是这种注射的一种工具。病毒也可以从宿主转移到宿主,携带提供抗生素或其他威胁抗性的基因。一些细菌可以吞噬死去的生物体中的基因。任何一个大肠杆菌经历这种所谓的水平基因转移的几率都非常低。但在数十亿或数万亿细菌的群体中,它会定期发生。因此,水平基因传递在长远来看产生了巨大的影响。例如,它导致了细菌抗生素耐药性进化成为一场噩梦。大肠杆菌菌株的基因组也变成了马赛克,数以百计或数以千计的基因被插入,而不是继承。性甚至让人怀疑生命的进化史是否像一棵树。它可能更像一个红树林。由于有证据表明水平基因转移存在于最遥远的生命谱系之间,这种微生物的“性行为”很可能在生命历史的非常早期——也许从一开始——就已经发生了。但 F 菌毛进行的基因转移可能要年轻得多。为什么它会进化——以及为什么它会持续存在——是科学家们现在正在通过实验探索的问题。在去年秋天发布的一项研究中,科学家们比较了能够进行 F 菌毛“性行为”的大肠杆菌和不能进行“性行为”的大肠杆菌在 1000 代中的进化情况。两个菌株都生长得更快,但“有性”的微生物比“无性”的微生物适应性更好。他们的结果表明,“性”允许新的、有益的突变在单个微生物中汇集,从而产生比单独任何一个突变都大得多的优势。这个想法可以追溯到几十年前,但科学家们最初是用来解释我们动物王国中熟悉的“性”。但是,对于大肠杆菌来说是真的,对于大象来说也是如此。

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