中科院物理学家揭开幽门螺旋杆菌的游泳秘密
溃疡和致癌细菌是如何在胃中存活下来的
芭芭拉·莫兰，《今日波士顿
Rama Bansil（左）和Maira Constantino澳门威尼斯人注册网站研究幽门螺旋杆菌的形状如何影响其游泳能力。他们的工作可能会影响药物输送和癌症治疗领域。Jackie Ricciardi摄
虽然胃不像心脏那样令人振奋，也不像大脑那样神秘，但它同样令人印象深刻：肌肉袋里充满了强大的酸，可以溶解金属——但它不会消化器官本身。
胃通过一层粘液来保护自己免受胃酸的侵害，这种策略并不总是对溃疡和致癌的幽门螺杆菌有效，幽门螺杆菌是唯一已知在恶劣环境中定居的细菌。幽门螺旋杆菌以某种方式在酸中存活下来，游过黏液层，感染胃细胞。据估计，50%的人肠道内有幽门螺旋杆菌，但只有一部分人会患上溃疡或胃癌。因此，了解幽门螺杆菌如何在这里生存是了解这些疾病的关键。
拉玛·班西尔（Rama Bansil）是艺术与科学学院（College of Arts & Sciences）的物理学和材料科学与工程教授，他对胃粘液进行了20多年的澳门威尼斯人注册网站研究，发现了使这种细菌占优势的两个因素：它分泌的化学物质和它的游泳技能。这两点对它的成功至关重要。
班西尔的澳门威尼斯人注册网站研究是由美国国家科学基金会资助的，他在20世纪80年代末开始对胃粘液产生好奇。“当时的问题是：胃每天产生近半加仑的胃液，胃液是酸性的，可以消化指甲——那为什么胃不消化呢？”她说。澳门威尼斯人注册网站研究人员怀疑，薄薄的一层粘液保护胃免受这种酸的侵害，但没有人确切知道它是如何起作用的。Bansil的澳门威尼斯人注册网站研究领域是凝胶和凝胶化，他开始澳门威尼斯人注册网站研究纯化的蛋白粘蛋白，它使胃粘液具有凝胶化的能力。在这项早期工作中，她和她的同事们发现，它只有在pH值低于4的极端酸性条件下才会凝固。
后来，她把注意力转向了幽门螺旋杆菌。她说：“我决定试着看看这种细菌是如何通过的，因为这一层很可能是凝胶状的，或者至少肯定是非常粘稠的，就像柔软的牙膏或凡士林一样。”“一个东西是如何在这样的介质中游动的？”
一些澳门威尼斯人注册网站研究人员曾假设，这种螺旋状的细菌像开瓶器一样钻穿厚厚的黏液。但在实验室实验中，班西尔和她的同事们惊奇地发现，通过旋转鞭毛推进自身的幽门螺旋杆菌根本无法通过凝胶游动。“即使它活着，它的鞭毛在旋转，它也不会向前移动。它只是停留在原地，”她说。
螺旋形的幽门螺杆菌是已知的唯一在人类胃里寄居的细菌。据估计，50%的人肠道内有幽门螺杆菌，但只有一部分人会患上溃疡或胃癌。图片来源：lucadp/iStock
胃粘液则不是这样。在那里，幽门螺旋杆菌分泌一种叫做脲酶的酶，它把胃里的尿素分解成二氧化碳和氨，让被感染者的呼吸中散发出氨的气味。氨，一种碱，与胃粘液反应，提高其pH值并使其液化。2009年，班西尔在《美国国家科学院院刊》上发表了这项澳门威尼斯人注册网站研究。他说：“它使凝胶脱胶，这种可逆的凝胶化是让这种细菌通过的关键。”
班西尔和她的同事们想知道，如果幽门螺旋杆菌的螺旋形不能帮助它钻穿粘液，那它为什么会有这种形状呢？另一种螺旋形的细菌，叫做空肠弯曲杆菌，能够在小肠的上部定植，所以这种形状一定对某些东西很重要。“我们想找出为什么幽门螺旋杆菌有一个螺旋体，”Maira Constantino （GRS ' 17）说，她是2014年加入班西尔实验室的博士候选人。“那有什么好处呢？”
许多人认为，螺旋形的身体总体上提高了幽门螺旋杆菌的游泳速度，因为螺旋形的身体在旋转时会产生推力。其他澳门威尼斯人注册网站研究小组先前的实验也支持这一观点，他们发现螺旋形的幽门螺杆菌比杆状的大肠杆菌游得快两到三倍。“但这不是一个好的比较，因为你实际上是在比较两种不同的生物，”Bansil说。她与西雅图弗雷德·哈钦森癌症澳门威尼斯人注册网站研究中心（Fred Hutchinson Cancer Research Center）的微生物学家尼娜·萨拉马（Nina Salama）合作，后者培育出了与原始幽门螺旋杆菌相同的突变株，但呈杆状。
然后，他们拍摄了数百只鲨鱼在黏液和培养液中游泳的过程，看看哪只游得更快。比较这些视频，他们发现，螺旋形细菌的平均速度比杆状细菌快10%到15%。他们在2015年的《分子微生物学》杂志上发表了他们的澳门威尼斯人注册网站研究结果。
但这些结果只是平均水平。康斯坦丁诺想通过拍摄单个细菌的运动和形状来进一步分析，这是一个艰苦的过程。通过以每秒200帧的高速拍摄视频，她能够记录下单个细菌的速度、旋转和体型。她和她的同事们发现，这两种细菌在游泳时都在旋转，大约每秒10到15个体长——“相当不错的步伐”，但螺旋游得更快一些，班西尔说。为了弄清楚其中的原因，Bansil和Constantino把数据发给了犹他大学机械工程副教授Henry Fu和他的学生Mehdi Jabbarzadeh，后者利用这些数据建立了一个幽门螺旋杆菌游泳的理论模型。犹他大学的科学家们发现，鞭毛多对速度的影响大于体型；螺旋形状最多贡献了细菌推进力的15%，证实了科学家们之前的发现。班西尔说：“15%的差异看起来不是很大，但从长远来看，这可能是一个足够的优势，螺旋形的将胜过杆状的。”
澳门威尼斯人注册网站研究结果和视频证据发表在2016年11月的《科学进展》杂志上。Bansil和她的同事们现在正在澳门威尼斯人注册网站研究一名癌症患者的幽门螺旋杆菌，以及该患者的胃粘液，寻找细菌与粘蛋白特定相互作用的线索。
Bansil的工作可能在另一个科学领域——药物输送——被证明是有用的。“许多药物无法通过黏液。只有非常小的药物才能通过，或者那些能分解粘液的药物。”通过基因操作使幽门螺杆菌变得无害并不难，如果它能像胶囊一样装上化疗药物，那么细菌就能利用其固有的能力穿过粘液，携带治疗药物，并将其送到需要的地方。班西尔说：“这可能是一种非常聪明的口服靶向药物的方法。”