当咱们给细菌的智商打分，发现越“笨”的细菌越不好惹

liukang20247小时前最新吃瓜711

你或许想不到，细菌也是有智商的？往往“低智商”的细菌，会对咱们的身体形成损害。他与细菌“斗智斗勇”，经过操控和利诱细菌的“智商”，让细菌在未来成为立异式的抗生素…

出品：格致论道讲坛

以下内容为我国科学院微生物研讨所研讨员钱韦讲演实录：

各位朋友咱们好！天天和细菌比拼智商的人今日站在这儿了，我是来自我国科学院微生物研讨所的钱韦，带来的讲演是《智商：人与细菌孰更高》。

从标题里，咱们或许现已发生了一个疑问：人是万物之灵，是真核生物乃至细胞生物的最高进化办法。作为一种原始的单细胞生物，细菌何德何能敢和人类比拼智商？

说到这个，我想跟咱们说一句：榜首，这不契合少数服从多数的准则。为什么这么讲？咱们看一下这张图，每个人身上的细胞总数大约是10的13次方，可是生计在人类体表和体内的微生物细胞总数是多少呢？是10的14次方。换句话说，从人身上的细胞总数来看，微生物的数量是人类的10倍。假如每个细胞都能投上一票，我想知道咱们以为最终投出来的究竟会是人，仍是其他什么东西。

第二，这件工作违反了另一条准则——咱们中华民族尊老爱幼的传统美德。为什么这么讲？咱们都知道，咱们生计的地球一共有46亿年的前史，在38亿年前的时分细菌就诞生了。人类的前史有多长呢？大约是300万年左右。

亨利一世从前界说过1英尺的长度，便是从他的鼻子到手指尖这么长的间隔，大约是94厘米。假如用1英尺代表生命的悉数前史，那么用一个指甲刀，都不必剪指甲，就锉一下指甲的前端，人类的前史就云消雾散了，剩余的前史悉数归于细菌。所以对这样一类在地球上日子了38亿年的生物，咱们要有所敬畏。

智商＝感知？

咱们都知道，智商中最重要的，便是感知外界环境和知道自己，悉数生物都要以此为生计的首要条件。

2021年是建党百年，咱们都在学习党史。《毛选》的榜首句话就说得十分清楚，要知道咱们的敌人：谁是咱们的敌人？谁是咱们的朋友？这是革新的首要问题。一切生命都是这样生计下来的。

举一个最简略的比方。咱们看这张图片，一只非洲草原上的瞪羚看见了猎豹，它最正确的反响是什么？撒丫子就跑。可是假如这只瞪羚面临困难奋起抵挡，向豹子主张进犯，成果可想而知。咱们能够就此评判一下这只瞪羚的智商究竟有多高。

▲ 病原感染与机体免疫

咱们都知道，在人类、植物应对病原微生物的感染免疫进程傍边，一旦人类或植物的免疫体系正确知道到了病原微生物，它就能够十分好地对立病原微生物的感染。可是在这个进程中，免疫反响太弱了和太强了都不是什么功德。

▲ 左：免疫缺损右：过敏反响

假如咱们的免疫体系太弱了，就像艾滋病的别号就叫免疫缺损疾病，那患者就不能对立微生物的感染；可是假如太活络了也欠好，每年3月份和10月份，许多日子在北京的朋友都会觉得苦楚难当。为什么？由于过敏。

▲植物过敏现象

过敏是免疫体系在没有任何病原微生物或许是外界影响的状况之下发生的反响。有些植物也会发生过敏现象，如在没有病原微生物的时分，它的叶片上就会发患病斑。好消息是这样的植物能抗病，坏消息是产值就下降了。所以，知道“自我”和“非我”的这个感知进程，是感染与免疫的中心科学问题。关于真核生物和多细胞生物来说，信号感知研讨是值得拿诺贝尔奖的。

其实，榜首个免疫识其他受体并不是在动物身上发现的，而是在植物上找到的。1995年，美国加加州大学戴维斯分校的植物学家Pamela Ronald在水稻里发现了一个叫XA21的免疫受体。这样的受体能够感知病原细菌，如此水稻就能够抗病。

▲ 1995年发现真核生物免疫受体

2011年发现动物辨认LPS 受体

1年今后即1996年，法国科学家Jules Hoffman和美国科学家Bruce Beutler用果蝇和老鼠作为试验资料，发现了动物感知细菌内毒素的受体，他们二位取得了2011年的诺贝尔奖。很有意思的是，Beutler和方才说到的Ronald是表兄妹。

▲ 2019年发现感知氧气和低氧机制

2021年发现感知温度和触觉机制

咱们也能够看到，近年来诺贝尔奖接连颁发给真核生物的感知现象：2019年颁发了3位发现感知氧气和低氧机制的科学家，2021年颁发了感知温度和触觉机制的发现者。

细菌的智商：越“笨”的细菌越欠好惹

作为真核生物，人用什么办法感知信号影响呢？用细胞上的受体。咱们都很爱吃川菜，当咱们吃到辣椒的时分会觉得十分“巴适”。为什么？由于咱们的受体感知到了辣味的影响，这是真核生物的故事。

那作为一个单细胞的原核生物，细菌经过什么样的办法感知外界环境的影响呢？答案是相同的，其实也是经过受体。

实际上，大部分病原微生物（包含细菌）对咱们是无害的。每一个人的皮肤外表都成长着金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌，但它们和咱们风平浪静。乃至胃里的幽门螺旋杆菌绝大部分的时分都没有什么损伤，反而对人有必定的优点。可是假如有创伤，它们就会进入到植物和动物的体内。

咱们都知道，关于细菌来说，人实际上是最好的一种培养基，仅有欠好的当地便是人有免疫体系，会对细菌进行进犯。哪里有压榨，哪里就有抵挡。人要进犯细菌的时分，细菌必定会感知免疫反响，为了生计，它也会对人类或许植物主张进攻。这便是一个细菌“由好变坏”的进程，而这个进程中最中心的部分便是感知到外界信号的晦气影响。

▲ 上：组氨酸激酶（受体）

下：反响调理蛋白（操控器）

细菌的受体或许说细菌的智商是由什么东西决议的呢？人类的受体大部分是丝氨酸、苏氨酸或许酪氨酸激酶，细菌的智商绝大部分是由一种叫“双组分信号转导体系”的体系操控的。这个体系是国际上最简略的信号体系，由于就由两个蛋白组成。

榜首个蛋白叫组氨酸激酶，这种激酶往往挂在细胞膜上，所以它是跨膜蛋白。它就像辣椒素受体相同，能够感知到外界环境的影响。感知到影响今后，它就会把一个磷酸基团传递给细胞内的反响调理蛋白。而第二个蛋白操控细菌的行为，细菌就会做出习惯性的反响。

为什么把这样的体系叫做细菌的智商呢？是由于简直一切细菌的生理代谢行为都是由双组分信号体系操控的，那它当然能够被称作细菌的智商。

咱们请看这张列表，假如将双组分信号体系蛋白的数量作为点评智商的一项方针，那么咱们就能够给细菌的智商打分。

▲ 黄色黏球菌金黄色葡萄球菌

梅毒螺旋体支原体

细菌里边的天才、智商最高的细菌叫做黄色黏球菌。这种细菌十分凶猛，它会吃其他细菌，智商大约挨近300。咱们熟知的大肠杆菌，还有一瞬间会介绍的、我试验室研讨的野油菜黄单胞菌，它们的智商大约超越60，基本是高智商的生物。

那么咱们就会问：是不是也有低智商的细菌呢？有的。我想告知咱们，低智商的细菌对人类形成了最大的损害，它们往往都是病原微生物。以支原体为例，支原体是最简略的细胞生物，它的智商是多少呢？它并不编码双组份信号体系，所以智商是0。那么咱们都知道，人要是被这些病原细菌感染的话，肯定会发生症状的。

▲ 野油菜黄单胞菌 Xanthomonas campestrispv. campestris（左）

十字花科植物黑腐病（右）

咱们试验室首要研讨一种植物病原细菌，它的名字叫野油菜黄单胞菌。或许咱们今日榜首次传闻这个细菌，但实际上咱们都很了解。作为植物的病原细菌，它首要导致十字花科植物患黑腐病。以白菜为例，假如白菜叶子上发生那种干而黑的病斑，便是由这种细菌导致的。

此外，它也是用于工业发酵的微生物之一，群众工业产品黄原胶便是由野油菜黄单胞菌发酵而成的。咱们或许觉得黄原胶也很生疏，但各位每天都要触摸：假如你在脸上擦化妆品、贴面膜，假如你喝酸奶或许吃冰激凌，这些产品里都有黄原胶。不信您一瞬间看看食物的配方表，它是十分好的稳定剂和增稠剂。

细菌的智商体现在哪些方面？

已然咱们研讨细菌的智商，那究竟怎样在科学试验室里展开研讨呢？

咱们都知道，要研讨组氨酸激酶的功用，必定要把这个蛋白在体外表达出来，在体外研讨它的酶活性，这个进程便是生物化学的研讨。

可是，研讨组氨酸激酶有两个很困难的当地：榜首，它是一个跨膜蛋白，是有跨膜区的。假如您是一个博士研讨生，导师跟您说：我分配一个有跨膜区蛋白的蛋白给你研讨，我主张你立刻就跑（笑）。为什么呢？难度太大。

大部分状况下，表达蛋白的时分是要去除跨膜区的。可是关于一个受体而言，去除了跨膜区就意味着去除了信号感知的区域。经常说一个笑话，就像排演《王子复仇记》相同：哈姆雷特你还藏着，奥菲利亚被你弄走了。所以这个是一个十分难的工作。

第二，受体组氨酸激酶被磷酸化今后，它的磷酸化半衰期特别短。我试验室从前研讨过一个蛋白，它的半衰期是多长时间呢？是10秒钟。换句话说，假如你要检测它的信号，或许第5秒的时分看不到信号，第10秒的时分信号现已没了。所以只能用分子生物学里边最活络的办法，也便是同位素符号法来符号磷酸基团，这样才干看到激酶的信号。

因而，咱们试验室的同位素用量超越微生物所一切同位素用量的2/3。每天我试验室的同学从同位素试验室走出来，咱们都戏称自己变成上图中的容貌，便是被同位素“照”的。当然咱们用的同位素其实是很安全的。

▲ 王莉博士王芳芳博士邓超颖博士程寿廷博士

蔡珍博士袁智惠博士任宝珍博士生魏金伟博士生

曩昔几年，我的试验室有许多现已取得博士学位的博士和博士生，天天和细菌的智商斗智斗勇，探究细菌究竟能够感知什么样的信号。后边的故事都是由我试验室的这些年青、聪明的孩子们做出来的。

比方这个信号。咱们看这只“章鱼哥”，它一瞬间黑了、一瞬间又亮了。“章鱼哥”为什么会发亮？并不是由于“章鱼哥”十分光荣，而是由于一种和章鱼共生的细菌。这种细菌叫费氏弧菌，当种群数量特别大的时分，它就能感知到集体的密度，就会发光。

▲ Cai et al, 2017, PLoS Pathogens

细菌，特别是病原细菌，在感染人的时分历来不是单打独斗，都是经过集体进行感染的。所以细菌必定要感知究竟是自己“一个人”在战役，仍是“一伙人”在进犯寄主。咱们试验室发现了一种叫RpfC的组氨酸激酶，能够感知细菌本身排泄的某种脂肪酸信号。这样细菌就能知道：现在是一大伙人在进攻人类，不要怕，冲吧！这是一个十分吓人的现象。

咱们都知道，日子办法的改变是十分重要的。如咱们在南边吃的东西和在北方吃的东西，你要习惯这种食物的改变。那么关于一个病原微生物，它日子在环境里和日子在寄主中是彻底不相同的：日子在环境里边，它往往能游动，与世无争。这样的细菌不排泄独立因子，不会对寄主细胞形成损伤。

▲会游的细菌，无毒（上）

细菌不游了，致病（下）

Cheng ST et al. 2019. PLoS Pathogens

可是进入寄主体内后，它必定要抵挡寄主。咱们发现一个名为RavS的受体组氨酸激酶在操控细菌生计办法改变中发挥着重要作用：它感知到了细菌细胞内第二信使的信号，这样细菌就会敏捷从平和走向战役。这是一个十分惊人的进程。

假如要让研讨生研讨铁的浓度有多高，他需求运用原子吸收光谱这样的现代设备。关于细菌来说，也得靠受体，并且细菌比人聪明许多。为什么这么讲呢？人类都是从非洲走出来的，从前吃个果子就或许吃饱，所以现代人的肠胃和代谢体系不能适配当时大鱼大肉的日子，许多人吃得越来越多，患上了肥胖症。

以吃铁为例，没有铁是不行的：人类缺铁就会贫血，细菌也是这样，没有铁就不能生计。可是铁太多也会对细胞发生毒害。因而吃多了就不能再吃，假如不行就要去找铁。

▲ Wang et al, 2016, PLoS Pathogens

咱们研讨发现，细菌的细胞膜上有一种叫VgrS的受体组氨酸激酶，当细菌日子在植物体内，环境缺铁的时分它就会发动：我现在要吃许多许多的铁。可是铁吃多了，在细胞里积蓄得太多，又会有另一个受体感知到铁浓度太高，这个细菌就会中止吃铁。从这个视点来说，细菌比人更抑制。

那么细菌能不能感知寄主的存在呢？当然能够，咱们试验室的一项研讨发现了一个很风趣的现象。咱们往常都吃草莓，有些草莓十分大，有时分这是由一种叫细胞分裂素的植物激素影响长成的。

▲ 跨界感知植物激素：细胞分裂素

Wang et al, 2017, Cell Rep

植物激素操控植物的成长和发育，可是咱们发现了一个受体组氨酸激酶PcrK，它能直接感知植物激素、细胞分裂素的存在。并且感知后它就知道：我现在日子在植物寄主体内，植物很快就要用氧化钳制来拾掇我、杀死我。所以它立刻就会发动一系列抗氧化钳制的生理代谢，对立寄主植物对它的损伤。

所以咱们将这个进程戏称为“细菌也有联想才能”，它感知到了植物激素，就能联想到：我现在日子在一个十分可怕的当地，我立刻就要发动习惯性反响，好让自己生计下去。这便是咱们往常看不见的细菌的聪明之处。

▲ 感知气体：细菌闻到乙烯的滋味

方才说到的都是一些化合物，那么细菌能不能像人相同感知到气体的存在呢？答案明显是相同的。咱们都吃过香蕉，也买香蕉。许多香蕉买回来的时分是绿色的，放上一段时间、捂一捂就变成黄色的熟香蕉了。为什么？由于植物激素乙烯能促进植物的老练和变老，那么乙烯能不能被细菌感知呢？

咱们的研讨发现了一个叫BerK的受体组氨酸激酶，它的的确确会感知到乙烯的存在，感知到今后细菌也能知道自己日子在植物体内，它就要发动独立因子的表达，消化植物的细胞壁，以此对立寄主对它的损伤。

▲ 感知温度：春江水暖菌先知

左：中温右：高温

细菌能不能感知温度呢？能够的。咱们发现了一个受体组氨酸激酶下流的蛋白，它的酶活性会跟着温度的改变降解不同的底物。明显这个蛋白便是细菌的温度计，它立刻就能知道自己日子在28度仍是日子在37度。实际上许多哺乳动物的病原细菌能够感知到自己现在日子在37度，正好就住在人或许动物的体内。

▲ 乃至还感知：咖啡……因（一种植物杀虫剂）

还有咖啡。许多搞科研的人脱离咖啡就活不下去，由于压力太大。实际上，咖啡因是植物在进化进程中发生的一种生物碱，它首要是抵挡昆虫的，许多昆虫吃了咖啡、摄入咖啡因后就会死掉。可是人类进化出代谢咖啡因的代谢体系还有受体，所以人喝了咖啡之后十分舒畅。可是细菌也能感知咖啡因的存在，咱们研讨的一个受体就能直接结合咖啡因。所以当一杯咖啡喝进去的时分，咱们还没激动起来，肠道内的细菌就会知道：我的主人今日刚刚喝了一杯卡布奇诺。

还有什么是细菌不能感知的？除了我地点的试验室，国际上许多研讨细菌感知的试验室都提醒了一个十分遍及的真理：但凡人能感知的信号细菌都能感知，人感知不了的信号细菌仍是能感知，包含各式各样的元素、化合物、生物大分子、水、湿度、温度、压力、触觉等。细菌太凶猛了。

咱们对细菌的知道才刚刚开端

或许咱们会问，今日是基础研讨的专场，那么这个研讨有什么用呢？咱们要知道，这个研讨太重要了。

病原细菌是十分重要的、导致人类患病和逝世的病原微生物，但1928年青霉素的诞生改变了这悉数。在1949年曾经，我国人的均匀寿数在35岁左右。青霉素和抗生素的发现使咱们的寿数均匀提升了24岁，这是微生物这门学科给人类的巨大贡献。

▲ 上：抗生素的发现下：细菌耐药性进化

咱们请看这张图，可是现在抗生素的发现越来越难、越来越慢，而还有一个更要命的问题便是耐药性。新冠现已暴虐国际2年之久，全球病亡人数到达600万。可是，医院里边因耐药性逝世的人数每年超越1000万。抗生素的发现越来越难，为什么呢？由于现在的抗生素首要以“打死打伤”细菌为方针，在这么强的自然选择压力之下，细菌能很快就会进化出耐药性。

咱们现已知道，一个环境微生物进入到人体变成病原微生物是由于感知，那么咱们能不能开展新式的化合物来操控细菌的智商，利诱它、搅扰它，让它知道自己现在仍是日子在环境里边，不要去对人或许植物发生损伤。那么这样的化合物毫无疑问就会变成立异性的抗生素。正是由于这样，我试验室现在除了研讨细菌和植物的相互作用以外，还在研讨细菌怎样和其他细菌相互作用。

▲ 上左：嗜麦芽窄食单胞菌上右：“打爆”细菌

下左：革兰氏阴性菌下中：革兰氏阳性菌下右：真菌

咱们请看我研讨的这种细菌，简直能够被称为“吃货”。它的学名叫做嗜麦芽窄食单胞菌，什么都吃：既吃革兰氏阳性菌，又吃革兰氏阴性菌，还吃真菌，最终能够把一个细菌的细胞彻底“打爆”。咱们就能够经过这样的细菌，取得或许说研讨清楚它用什么样的化合物来杀死其他细菌。这样的化合物便是未来的抗生素。

▲ 古菌病毒细菌真菌

Larsen et al. 2017. The Quarterly Review of Biology DOI:10.1086/693564

在这儿我想告知咱们，这仅仅微生物的一个风趣故事罢了。地球实际上是一个“微生物的地球”，咱们都知道，地球上的植物加起来不超越40万种，悉数动物加上昆虫不超越800万种。而微生物有多少？微生物包含病毒、细菌、真菌、古菌和一部分单细胞藻类，数字是不行估量的。一项保存的估量是1万亿种，是植物加动物数量的500万倍。咱们关于细菌、关于微生物的知道才刚刚开端，在这儿，我也呼吁咱们加入到微生物的研讨中来。

最终照应一下我今日讲演的主题：人类智商和细菌智商究竟孰高孰低？我是2000年到中科院微生物所做博士后才开端研讨细菌的。客观一点说，我以为旗鼓相当。假如您必定要问我心里的实在主意，我要用一句赋有道理的话完毕今日的讲演，这句话便是：I服了you。

谢谢咱们！

“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是我国科学院全力推出的科学文化讲坛，由我国科学院计算机网络信息中心和我国科学院科学传达局联合主办，我国科普饱览承办。致力于特殊思维的跨界传达，旨在以“格物致知”的精力讨论科技、教育、日子、未来的开展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”大众号（SELFtalks），转载请注明大众号出处，未经授权不得转载。

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