纽约时报第一届STEM写作比赛获奖文章:群体感应

群体感应:我们能从窃听细菌中学到什么

太阳已经在地平线上消失了很久,但海洋内部发出了深深的光芒。波光粼粼的湖水呈现出令人不安的铁蓝色。在过去的几个世纪里,对于许多水手来说,这种罕见的事件证明了海洋深处隐藏着我们尚未探索和了解的奇妙生物。他们也不是完全不正确。

这种现象被称为乳白色的海洋,是由于费氏弧菌的生物发光。1970年,哈佛大学的科学家肯尼斯·h·尼尔森(Kenneth H. Nealson)和约翰·w·黑斯廷斯(John W. Hastings)在对这些充满活力的费氏弧菌进行测试时,发现了一些相当奇怪的现象。一个单独的细菌,在稀释的悬浮液中,不会发出任何光。然而,当允许它们生长到一定的细胞数量时,它们会全部亮起来,就好像有人打开了一串圣诞彩灯的开关。

就好像简单的细菌能够相互协调,并以完美的同步行动!这怎么可能呢?欢迎来到群体感应世界。从本质上讲,群体感应是细菌相互交流并根据种群密度调节基因表达的系统。

要理解为什么细菌会使用群体感应,想象一下:单个细菌入侵宿主的几率并不大,因为免疫系统可以很容易地阻止小规模的攻击。所以,对细菌来说,静静地等待是最好的,直到它知道有足够多的细菌伴随它。然后,它们可以一次感染宿主细胞。卑鄙,但有效。他们是怎么做到的?

和人类一样,细菌也有自己的语言。它们使用被称为自动诱导器的化学信号进行交流。自动诱导剂由细菌分泌,一旦自动诱导剂的浓度足够高,它们可以激活某些基因的转录,比如发光。事实上,根据斯蒂芬·绍德(Stephan Schauder)和邦妮·l·巴斯勒(Bonnie L. Bassler)的研究,每种细菌使用的自动诱导器略有不同,这样信息就不会混淆。然而,他们还发现,每一个细菌都能产生一种常见的五碳分子。巴斯勒博士称它为“细菌世界语”,因为它被用来在不同种类的细菌之间交流!

细菌世界语和常见的细菌传感器可能是对抗病毒的未来,特别是随着细菌开始发展抗生素免疫。正如安德鲁·波拉克在《纽约时报》的一篇文章中所写的那样,“细菌说话时,制药商偷听”,研究人员正在努力设计能堵塞细菌传感器的分子。就像戴上降噪耳机一样,这些分子会减弱信号分子的影响,限制了致命细菌交流的能力。

群体感应是一个迷人的框架,可以帮助解释发光的海洋和讨厌的感冒,以及在对抗感染和抗生素免疫方面有希望的意义。细菌在交谈。我们要做的就是倾听。

Works Cited

González, Juan E., and Neela D. Keshavan. “Messing With Bacterial Quorum Sensing.” American Society for Microbiology: Microbiology and Molecular Biology Reviews, Dec. 2006.

Miller, Steven D., Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge and Thomas F. Lee. “Detection of a Bioluminescent Milky Sea From Space.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 4 Oct. 2005.

Pollack, Andrew. “Custom-Made Microbes, at Your Service.” The New York Times, 17 Jan. 2006.

Pollack, Andrew. “Drug Makers Listen In While Bacteria Talk.” The New York Times, 27 Feb. 2001.

Rutherford, Steven T., and Bonnie L. Bassler. “Bacterial Quorum Sensing: Its Role in Virulence and Possibilities for Its Control.” Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine, Nov. 2012.

Schauder, Stephan, and Bonnie L. Bassler. “The Languages of Bacteria.” Genes and Development, 2001.

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