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Nature惊人发现:大脑一般的细菌

2015/10/23 来源:生物通/叶予
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导读
人类大脑被誉为进化的最高杰作,而细菌则是一些低等的个体,它们之间似乎有天壤之别。然而加州大学圣迭戈分校的科学家们发现,细菌相互通讯的机制与人类大脑非常相似。这项研究发表在十月二十一日的Nature杂志上。


人类大脑被誉为进化的最高杰作,而细菌则是一些低等的个体,它们之间似乎有天壤之别。然而加州大学圣迭戈分校的科学家们发现,细菌相互通讯的机制与人类大脑非常相似。这项研究发表在十月二十一日的Nature杂志上。

“这一发现不仅改变了我们对细菌的看法,也改变了我们对大脑的认识,”这项研究的领导者,加州大学圣迭戈分校的副教授Gürol Süel说。“人类的感觉、行为和智力都取决于大脑神经元之间的电信号传导,这一过程由离子通道介导。现在我们发现,细菌也通过这样的离子通 道进行通讯,并由此解决自己的代谢压力。由此可见,代谢压力触发的神经疾病可能具有古老的细菌渊源,人们可以从一个新角度来看这类疾病的治疗。”


“我们对大脑电信号传导的理解,大多基于细菌离子通道的结构研究,”Süel说。但细菌如何 使用这些离子通道一直是一个谜。为此,Süel及其同事对生物膜中的远距离通讯进行了研究。 生物膜由数百万紧密聚集的细菌组成,对化合物和抗生素有很高的抗性。

研究人员发现,当枯草芽孢杆菌组成的生物膜生长到一定大小的时候,保护性的边缘细菌会周 期性地停止生长,以便营养物质(尤其是谷氨酸)流入生物膜的中心地带。正因如此,中心地 带受到保护的细菌既可以生存下来,又能够抵抗化合物和抗生素。值得注意的是,人类大脑活动有一半是谷氨酸驱动的。

研究人员认为,生物膜中远距离细菌之间的代谢调节可能涉及了电化学通讯。于是他们在生物膜的代谢振荡中监测了细菌细胞膜电位的改变。研究显示,膜电位的改变与生物膜的生长振荡相符,而且膜电位改变是离子通道介导的。


进一步研究表明,生物膜的远距离电信号传导是通过钾离子实施的,钾离子扩散波协调着内部和外部细菌的代谢活性。去除细菌的钾离子通道,生物膜的电信号传导就无法进行。

“跟我们大脑中的神经元一样,细菌也通过离子通道介导的电信号彼此交流,”Süel解释道。“生物膜里的细菌群体像一个‘细菌大脑’一样运作。”

研究指出,这种细菌通讯机制与人类大脑的“皮层扩散性抑制”惊人的相似,而皮层扩散性抑 制被认为与偏头疼和癫痫有关。“偏头疼和这种细菌通讯都是由代谢压力触发的,”Süel 说。“这说明许多癫痫和偏头疼药物也能有效攻击细菌生物膜,帮助人们解决全球性健康难题 ——抗生素抗性。”

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