牛津大學的研究人員發現了細菌多樣化武器背後的演化原因。他們利用銅綠假單胞菌證明，短程武器在低密度條件下有效，而遠程武器在高密度條件下表現出色。這些知識對於開發新方法來對付抗藥性細菌至關重要。

牛津大學領導的一項新研究揭示了為什麼某些種類的細菌攜帶著驚人的武器庫。今天發表在《自然-生態學與演化》（Nature Ecology & Evolution）雜誌上的這項研究成果可以幫助我們設計出能夠消滅致命病原體的微生物，從而減少我們對抗生素的依賴。新研究揭開了細菌為何經常攜帶各種武器的謎團。

研究結果表明，不同的武器最適合不同的競爭情況。短程武器有助於細菌入侵已建立的群落；遠程武器一旦建立起來就很有用。

細菌武器的多樣性

許多細菌物種擁有多種攻擊競爭對手的武器。這些武器既包括需要與鄰近細胞直接接觸的短程武器，也包括釋放到環境中的毒素等遠程武器。迄今為止，細菌為何會進化出攜帶如此多種武器的武器一直是個謎。

研究的合著者凱文-福斯特教授（牛津大學生物學和生物化學系）說：”動物往往只攜帶一種武器，如角、鹿角或獠牙，而細菌則不同，它們通常攜帶多種武器。但目前還不清楚這種情況的進化基礎是什麼–為什麼不只使用一種武器呢？一種理論認為，細菌攜帶多種武器是因為它們在競爭中發揮著不同的功能”。

研究銅綠假單胞菌

由於多重抗藥性菌株的迅速出現，銅綠假單胞菌被世界衛生組織列為優先病原體。銅綠假單胞菌擁有多種武器，包括產生各種有毒分子的能力（遠程武器），以及錨定在外膜上的毒素絲（短程武器）。

研究小組設計了一系列實驗，以確定在哪些條件下短程武器比遠程武器更具優勢。他們利用基因組編輯技術生成了銅綠微囊藻菌株，這些菌株既缺乏毒素絲，又對毒素絲或稱為尾毒素的遠程毒素敏感。然後將易感菌株與對照銅綠假單胞菌一起在瓊脂平板上以一系列不同的比例培養兩天。由於菌株各自表達不同的螢光蛋白，研究人員可以量化攻擊菌與易感菌的比例。

不同情況下的武器功效

實驗結果清楚地表明，這兩種武器在不同條件下表現最佳。遠程武器尾孢菌毒素只有在攻擊細菌密度高、比競爭細菌更常見的情況下才會有效。另一方面，攜帶毒素的菌絲在較多的條件下都具有競爭優勢。這包括攻擊性細菌最初數量較少，必須與更多的易感細菌競爭的情況。

雙重武器的優勢

研究人員隨後讓這兩種工程菌株直接進行正面競爭。當菌株開始時的頻率相同時，攜帶毒素絲的細菌優勢明顯。然而，當兩種武器的使用者都以多數開始時，它們都能獲勝。

此外，當細胞可以同時使用兩種武器時，它們抑制易感細菌的能力明顯優於只使用一種武器的菌株，這表明短程和遠程武器是相輔相成的。

影響與未來研究

研究人員表示，研究結果表明，短程和遠程武器在不同的競爭環境中表現不同。共同作者肖恩-布斯博士（牛津大學）說：”我們的研究結果表明，依賴接觸的武器的一個特殊優勢是，即使使用者在數量上處於劣勢，它們也能發揮有效作用。這表明，它們的演化可能是為了使細菌能夠在數量上少於常駐細菌的情況下入侵既定種群。”

這個理論得到了一個計算模型的支持，該模型模擬了數量較少的攻擊者細胞攻擊數量較大的易感細胞群體的情況。在這個模型中，使用短程武器的細胞能夠成功入侵群落，而使用遠程武器的細胞則不能。然而，當使用遠程武器的細胞數量較多且比競爭者更常見時，它們就會變得非常有效，從而為攻擊者帶來顯著的競爭優勢。

研究人員目前正在研究如何將這些發現應用於客製化設計有益微生物，使其能夠戰勝致病菌株。

共同作者William Smith 博士（牛津大學和曼徹斯特大學）說：「這些結果為我們提供了寶貴的見解，讓我們了解細菌成功入侵並在群落中持續存在所需的武器類型。最終，這將有助於我們開發不含抗生素的方法來對抗多重抗藥性細菌。”