2009年12月13日

抗菌絕招

作者/程樹德(任教陽明大學微免所)

微生物與大型生物的對抗在自然界永不停歇,除了免疫系統、皮膚遮蔽外,大型生物還有一些類似真菌分泌抗生素的抗菌絕招。

看似清澈的池塘水,其中懸浮的細菌,常可達每毫升10萬隻以上,而水底的岩石及泥沙上,有時可以見到表面塗布一層黏糊糊、滑溜溜的膠狀物,這便是微生物結群組建的生物膜(biofilm),內含的微生物量,又常比清水高上百倍。在這樣的環境生活,魚及蛙蜺類表面並沒被細菌蓋滿,眼睛依然清亮,牠們如何應付四面八方無所不在的微生物呢?

無脊椎動物雖小,依然要面對細菌之類更小的微生物對牠們身體的侵襲。蒼蠅在腐爛的動植物上覓食,常常吸入大量腐生菌,又怎能不生病?是否牠們各自都有抵抗細菌的怪招?

這類想法,早期細菌學家可能偶爾會靈光一現地閃耀在思維中,但能循這思路一直追索下去,就只有鳳毛麟角的少數人吧?發現青黴素的佛萊明(Fleming)算是留下鴻爪於歷史中的一位科學家,據他的助理留下的傳說,1922年佛萊明得了感冒,鼻涕一直流漟下來,無意中滴到一片洋菜膠培養皿之上,此時窗外一陣風,刮入了一些細菌到培養皿的表面。佛萊明依然將這盤培養皿放入溫箱中培養,次日他看見鼻涕滴到的部位清清無菌,因而發現了鼻涕內含有溶菌酶(lysozyme),湊巧能殺死汙染到盤上的細菌。

過了67年後,美國密西根州立大學的魯特–伯恩思坦(Root-Bernstein)出書反駁這「偶然發現」的說辭,他認為佛萊明是個好動又古靈精怪的人,為了尋找抗菌物質,曾用過鼻涕、眼淚、口水等當材料,上窮碧落下黃泉地尋覓,其成就絕非憑空掉下。而正如巴斯德(Pasteur)所言:「幸運等待有準備的心靈」,佛萊明孜孜不倦努力研究的成果,才讓他不但發現了溶菌酶,也在6 年後發現了青黴素。

或許青黴素以及日後鏈黴素等抗生素,成功地變成抗菌靈藥,讓眾人的目光聚焦於細菌及真菌所產生的抗菌物質上,反而幾乎完全忽略了一項明顯的事,即動植物身上也有抗微生物的物質。

科學史家孔恩(Kuhn)曾倡論,一項成功的實驗一旦變成典範,這社群內的科學家就會順著探究下去,形成常態科學。佛萊明雖然創立了「抗生素典範」,但吾人可觀察到另一現象,即一旦這抗生素典範成了研究主流,其他研究線索就易被忽略,導致沒人關心了。

直到1970年索達斯(Csordas)及密巧(Michl)從蛙皮分泌腺內,找到一種抗菌胜,命名為鈴蟾抗菌(bombinin),這項發現才提醒了「身處廬山」的人,太著重於抗生素,會當局者迷,而忘了廣大的動植物都該有抗微生物的物質。

隨後30年,各種能抗微生物的短胜肽陸續被發現,例如在非洲爪蟾的皮膚上有爪蟾抗菌肽(magainin),南美樹蛙的皮上有皮膚去菌素(dermoseptin),植物會產生正電荷胜肽的硫堇(thionin),蜜蜂會產生數種抗菌胜肽,如蜜蜂素(apidaecins)、王漿素(royalisin)、防衛素(defensin)等,哺乳動物也會產生好些種抗菌物,如殺菌通透增加因子(bactericidalpermeability increasing factor, BPI)、乳鐵素(lactoferrin)、細胞自溶酵素(cathepsin)、及防衛素等。各種能抗菌的短胜肽相加起來,目前總共在500 種左右。

這些短胜肽鏈的抗微生物物質,其結構的共同特性,即疏水性的胺基酸常聚在一區域,而帶正電荷的胺基酸常聚在另一區,兩類胺基酸接替出現於鏈中,這種架構叫雙親合性(amphipathic),使它容易侵入細胞膜內,得以施展作用。在這基本架構中,也常有雙硫鍵,使之形成折疊的平板狀(anti-parallelpleated sheets)。【更詳細的內容,請參閱第480期科學月刊】

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