Bdelloid rotifers（蛭態輪蟲）是一種小型淡水動物，它們利用從細菌那裡「偷來的」基因製造抗生素，為開發更安全的抗菌藥物和解決日益嚴重的抗生素抗藥性問題提供了思路。牛津大學、史特靈大學和伍茲霍爾海洋生物實驗室(MBL)的研究人員發現，一群微小的淡水動物利用從細菌「偷來」的抗生素配方保護自己免受感染。

這隻輪蟲剛從一場危及生命的感染中倖存下來。當真菌性疾病來襲時，她啟動了數百個基因，這些基因是她的祖先從微生物複製而來的，包括從細菌那裡偷來的抗生素配方。圖片來源:CG Wilson 2019

這些微生物被稱為輪蟲，意思是「爬行的車輪動物」。雖然它們比頭髮還小，但它們像其他動物一樣有頭、口、腸、肌肉和神經。

這項研究最近發表在《自然通訊》上，揭示了當這些輪蟲受到真菌感染時，它們會激活從細菌和其他微生物中獲得的數百個基因。其中一些基因在輪蟲體內產生抗藥性武器，例如抗生素和其他抗菌劑。

牛津大學首席研究員克里斯·威爾遜(Chris Wilson)表示:”當我們解讀DNA密碼，試圖弄清這些被偷走的基因在做什麼時，我們大吃一驚。這些主要基因是製造化學物質的指令，我們原本以為動物無法製造這些物質——它們看起來像是抗生素的配方。

與其他動物一樣，輪蟲需要製定策略來抵抗感染，避免像這隻患病個體一樣被真菌佔據並殺死。圖片來源:CG Wilson 2024

先前的研究發現，輪蟲從周圍環境中獲取DNA已有數百萬年的歷史，但這項新研究首次發現它們利用這些基因來對抗疾病。目前尚無其他動物以如此大規模的方式「竊取」微生物的基因。

「這些複雜的基因——其中一些在其他動物中從未發現——是從細菌中獲得的，但在輪蟲中經歷了進化，」該研究的合著者、海洋生物實驗室約瑟芬灣保羅中心高級科學家兼主任大衛·馬克·韋爾奇(David Mark Welch)說道，「這表明輪蟲有可能產生新型抗菌素，其毒性可能低於我們從細菌和真菌中開發的抗菌素，對包括人類在內的動物毒性較低。

抗生素對現代醫療至關重要，但其中大多數並非由科學家發明。相反，它們是由野生真菌和細菌自然產生的，人類可以製造人工版本作為藥物使用。

這項新研究表明，輪蟲可能也在進行類似的工作。

威爾森解釋：「這些奇怪的小動物複製了微生物製造抗生素的DNA。我們觀察到它們利用其中一種基因來對抗真菌引起的疾病，感染後存活下來的動物產生的化學成分是死亡動物的10倍，這表明它有助於抑制疾病。

這種輪蟲正在用它的”輪子”吸食並吃掉漂浮在水中的細菌和其他顆粒。這種動物長約半毫米，頭部有”輪子”。圖片來源:CG Wilson 2024

科學家認為，輪蟲可以為尋找治療細菌或真菌感染的藥物提供重要線索。

抗生素的療效正在減弱，因為致病微生物已經進化出抗藥性，不再對治療產生反應。世界衛生組織最近發出警報，在6月的報告中警告稱，迫切需要開發新的抗生素來應對抗藥性的威脅。

「輪蟲使用的配方與已知的微生物基因不同，」研究作者、斯特靈大學的魯本·諾威爾(Reuben Nowell)說道，它們同樣冗長而復雜，但DNA密碼的某些部分發生了變化。我們認為，這種配方在演化過程中發生了改變，輪蟲因此產生了新的、不同的化學物質。這令人興奮，因為這可能為未來的藥物研發提供想法。 」

輪蟲從細菌中獲得的基因編碼一類不尋常的酶，可將胺基酸組裝成一種稱為非核醣體勝肽的小分子。

「這項研究的下一階段應包括鑑定由輪蟲產生的多種非核醣體合成的勝肽，並確定誘導這些化合物合成的條件，」該研究的合著者、海洋生物實驗室高級科學家伊琳娜·阿爾希波娃(Irina Arkhipova)說。

開發新藥的一個問題是，細菌和真菌產生的許多抗生素化學物質對動物有毒性或副作用。只有少數幾種可以轉化為清除人體有害微生物的治療方法。如果輪蟲已經在自己的​​細胞中產生類似的化學物質，那麼它們就有可能開發出對包括人類在內的其他動物更安全的新藥。

一個很大的問題是，為什麼輪蟲是唯一從微生物中大量借用這些有用基因的動物。

牛津大學的研究合作者蒂姆·巴拉克羅夫(Tim Barraclough)表示:“我們認為這可能與這些輪蟲的另一個奇怪事實有關。與其他動物不同，我們從未見過雄性輪蟲。輪蟲母親產下的卵子無需經過交配或受精即可孵化成自己的基因複製品。

有一種理論認為，像這樣複製自己的動物可能會變得如此相似，以至於變得不健康。 Barraclough解釋：「如果其中一隻感染了疾病，那麼其他動物也會感染。由於輪蟲沒有性行為，因此親代基因能夠以有益的方式進行重組，輪蟲母親的基因組直接傳遞給後代，不會引入任何新的變異。

「如果輪蟲找不到改變基因的方法，它們可能會滅絕。這或許有助於解釋為什麼這些輪蟲從其他地方借用瞭如此多的基因，尤其是那些有助於它們應對感染的基因，” Barraclough說。

諾威爾認為，從輪蟲及其竊取的DNA中可以學到更多。他說：「輪蟲使用的數百個基因在其他動物中從未出現過。抗生素配方令人興奮，其他一些基因甚至看起來像是從植物中提取的。這些發現只是關於基因如何在不同物種間移動以及為何移動的日益豐富故事的一部分。

編譯自/ scitechdaily