開啟對抗抗藥性與細菌基因工程技術的新契機

以色列臺拉維夫大學（Tel Aviv University）最新研究指出，細菌的防禦機制可被中和，使遺傳物質得以於細菌間高效轉移。研究團隊認為，此項發現有望加速發展解決抗生素抗藥性危機的全新工具，並推動發展醫學、工業及環境領域中更有效的基因工程技術。研究由生命科學學院生物醫學與癌症研究所（Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research, Wise Faculty of Life Sciences,）的博士生Bruria Samuel主導。她在David Burstein教授主持的實驗室工作，並與其他人合作，相關成果已發表於國際頂尖期刊《Nature》。

研究人員指出，基因多樣性對於生物體在環境變遷中的生存與適應特別重要。對人類及多數真核生物而言，有性生殖是促進基因多樣性並確保物種持續演化的主要機制。細菌及其他微生物雖然不具有性生殖機制，它們藉由其他途徑維持基因多樣性。抗生素抗藥性於細菌群體中快速傳播的現象，正是證明細菌具有基因交換機制的有力證據。

細菌間的DNA轉移對其生存相當重要。長期以來令研究人員不解的是，細菌其實具備多種防禦機制以抵擋外來遺傳物質，基因交換為何仍如此普遍？此次研究著眼於「接合作用（conjugation）」，細菌間遺傳物質轉移的主要機制之一。在此過程中，細菌細胞透過微小的管道（稱為接合管）直接連接至另一細胞，並轉移稱為質體（plasmid）的基因片段。Burstein教授解釋：「質體是小型環狀雙股DNA分子，屬於『可移動基因元件（mobile genetic elements）』，此與病毒相似的特徵在於質體也能在細胞間移動，但不同於病毒的是質體無需摧毀宿主細菌便能完成轉移。」

質體如何突破細菌防禦機制

遺傳物質交換的過程中，質體經常賦予受體細菌基因上的優勢。例如，許多抗生素抗藥性基因正是由質體轉移於細菌間使之迅速傳播。矛盾的是細菌也具備多種防禦機制，能清除進入細胞的外來DNA。Burstein教授指出：「接合作用（conjugation）是一個廣為人知的基因轉移過程，科學家在實驗室中也常利用此機制將基因導入細菌。同時我們已知細菌具有摧毀外來DNA（包括質體DNA）的機制，並在許多研究中運用這些機制。然而迄今為止，尚無研究全面探討質體如何成功突破這些防禦機制。」

Samuel博士生表示，他的研究起初對33,000個質體進行計算分析，從中辨識出與「抗防禦系統（anti-defense systems）」相關的基因，這些基因可協助質體繞過細菌的防禦機制。更有趣的是這些基因的分佈位置。如前所述，質體是環狀雙股DNA分子。在接合過程中，質體DNA的一股會在特定位置被蛋白質切割，該蛋白質隨後與被切割的單股DNA結合，並開始向受體細胞轉移。Samuel解釋：「我發現抗防禦系統的基因集中於質體的切割點附近，這種方式排列以確保它們是最先進入受體細胞的基因。如此具備策略性的位置使這些基因在轉移過程中能立即被活化，從而讓質體能迅速中和受體細菌的防禦機制。」

Burstein教授回憶起Samuel首次向他展示這些研究結果時，他難以相信這個現象在此之前未被發現。他說：「Bruria進行了廣泛的文獻回顧，確認此前從未有人確立過這項關聯。」由於原本是藉由計算工具分析現有數據庫所發現，研究團隊接下來的步驟是在實驗室中驗證這個現象是否確實發生於質體轉移過程中。

Samuel進一步解釋：「我們使用帶有抗生素抗藥性基因的質體，並將其導入裝備有CRISPR系統的細菌中進行實驗。CRISPR是廣為人知的細菌防禦系統，能夠識別並摧毀DNA（包括質體DNA）。這種方法使我們能夠輕鬆測試質體在何種條件下能突破CRISPR防禦系統。如果質體成功突破CRISPR系統，受體細菌將獲得抗生素抗藥性；若未能突破，細菌則會在暴露於抗生素時死亡。」藉由此方法，Samuel證明，當抗防禦基因位於質體DNA的切割點附近時，質體能成功突破CRISPR系統；若這些基因位於質體的其他位置，則質體會被CRISPR系統摧毀，細菌便在接觸抗生素時死亡。

如何提升基因轉移效率？

Burstein教授指出，瞭解質體上抗防禦系統基因的定位，有助於發掘更多新型抗防禦基因，這已成為當前研究中的熱門領域。他表示：「此外，我們的研究還能協助設計更高效的質體，提升實驗室中細菌基因工程的效率。儘管質體已被廣泛用於基因操作，但目前實驗室中的質體基因轉移效率仍遠低於天然質體。」

另一潛在應用是設計專門用於操控自然細菌群體的質體。這項技術可用於阻止醫院細菌群體中的抗藥基因傳播，或使土壤與水中的細菌分解污染物、固定二氧化碳，甚至操控腸道細菌以改善人類健康。

臺拉維夫大學技術轉移公司Ramot的執行長Dr. Ronen Kreizman表示，此發現是一項具有廣泛應用潛力的生物技術突破。他說：「首先，我要恭賀Burstein教授及其研究團隊在此項研究中取得的重大發現。這項研究為抗藥性細菌藥物開發、合成生物學、農業科技及食品科技領域開啟了革命性機會。能夠控制並精確調節細菌之間的基因轉移，將成為解決環境、農業及醫療挑戰的重要工具。我們正積極推動此技術的商業化，以充分發揮其潛力。」

資料來源：

https://english.tau.ac.il/research/foreign-dna-bacteria