慈大教授發現鮑氏不動桿菌的秘密武器

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俗稱AB菌的鮑氏不動桿菌(Acinetobacter baumannii),是台灣從2012年到2016年院內感染源的第一名。受感染的病人可罹患肺炎、腦膜炎、泌尿道感染、腹膜炎、皮膚軟組織感染,且死亡率高達46-65%。更可怕的事情是,鮑氏不動桿菌能從其他的細菌處獲取抗藥基因,這使得被它感染的病人幾乎找不到抗生素可以治療。

這麼可怕的細菌,卻有個很平凡的出身。慈濟大學國際暨跨領域學院院長林光慧教授的研究團隊,多年來一直致力於鮑氏不動桿菌的研究,發現原來鮑氏不動桿菌廣泛存在於土壤中,且會與植物的根部形成共生關係。鮑氏不動桿菌會以色胺酸(tryptophan)為原料,合成植物生長發育所需要的生長素(auxin)。當環境不適合時,鮑氏不動桿菌便會將自己生成的生長素給分解掉,若環境適合時,便會將生長素提供給植物使用。

既然鮑氏不動桿菌會合成也會分解生長素,林光慧教授的研究團隊便想看看它是否能分解兩種人工合成的生長素:2,4-D與2,4,5-T。這兩種生長素在越戰時被廣泛的使用做為落葉劑,稱為「橙劑」(Agent Orange)。由於橙劑不溶於水只溶於酒精或其他有機溶劑,因此林光慧教授研究團隊將它們分別溶解在酒精中,想找出不能分解它們的突變菌株。

結果並沒有找到與分解2,4-D與2,4,5-T相關的突變菌株,卻找到了與分解酒精相關的突變菌株。一開始研究團隊有點猶豫是否要研究這些突變菌株—它們突變的基因有些是與調節分解過氧化物有關,有些則屬於一群古老的基因:酒精脫氫酶(ADH,alcohol dehydrogenase)。許多生物都有酒精脫氫酶,它負責分解酒精,把酒精轉化為醛;有些酒精脫氫酶不僅可以將酒精轉化為醛,還可以將醛進一步轉化為酸,然後再進入代謝途徑完全分解。

進一步的分析發現,鮑氏不動桿菌有七個酒精脫氫酶。為什麼它需要這麼多個酒精脫氫酶呢?於是研究團隊決定要仔細看看這些酵素們,結果發現,這些酒精脫氫酶可以分為三群,第一群是含鐵的酒精脫氫酶,為ADH3、ADH4、與ADH6;第二群是需要鋅的酒精脫氫酶,為ADH1、ADH2、ADH7;最後還有一個短鏈的酒精脫氫酶ADH5。序列分析顯示,第一群又可以分為兩群,其中一群是ADH4,它與許多可產生酒精的微生物的酒精脫氫酶比較像;另一群則是可以將酒精轉為醛又轉為酸的雙功能酵素。

到底這些酒精脫氫酶在細菌中有什麼功能呢?林光慧教授研究團隊利用基因敲除技術將ADH3、ADH4、ADH6分別進行突變,並且做出缺少兩個甚至三個酒精脫氫酶的突變菌株。結果發現,只要少了ADH4的菌株,就不能在含有百分之一的酒精的環境下生長;而少了ADH3與/或ADH6的菌株,對過氧化氫或過氧化叔丁醇等會產生氧化壓力的分子便會變得敏感。

深入研究這三個酒精脫氫酶更發現,酒精可以誘導ADH4的表現,且ADH4能分解酒精。少了ADH4的菌株,對大蠟蛾(Galleria mellonella)幼蟲的毒性沒有影響;但少了ADH3或ADH6的菌株,對大蠟蛾幼蟲的毒性就有明顯的下降。這些結果顯示了ADH4與分解酒精的能力有關,而ADH3與ADH6則對於鮑氏不動桿菌的毒性與氧化壓力抵抗很重要。

生於平凡的鮑氏不動桿菌,由於容易從其他細菌取得(抗藥)基因,造成它的抗性很高;而它的酒精脫氫酶們,又賦予了它可以生存在微量酒精(可到4%)且能抵抗來自免疫細胞以及環境中的氧化壓力的能力。未來林光慧教授和研究團隊將會繼續研究其他的酒精脫氫酶在鮑氏不動桿菌中的功能,好更深入的瞭解到底它的枱面下還有多少秘密武器,讓它可以成功地存活且代代繁衍。

參考文獻:

Lin, G.-H.; Hsieh, M.-C.; Shu, H.-Y. Role of Iron-Containing Alcohol Dehydrogenases in Acinetobacter baumannii ATCC 19606 Stress Resistance and Virulence. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 9921. https://doi.org/10.3390/ijms22189921