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科学家揭开维生素B12的新途径:幕后推手竟然是能杀死细菌的病毒

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维生素B12在人体内具有非常关键的作用——预防贫血,维持正常造血;保护神经系统健康;促进代谢与心血管保护。最新研究发现,病毒杀死细菌,而在细菌残骸中,其微生物中找到生命最重要的营养物质之一:维生素B12。



新研究表明,感染细菌的病毒——噬菌体(bacteriophages)——能够释放被困在细菌细胞内部的维生素B12。突如其来的营养“馈赠”,可以为那些自身无法合成B12的邻近微生物提供生长所需的营养,并由此改变整个微生物群落的组成。

维生素B12,也称为钴胺素(cobalamin),参与许多关键的生物过程,包括DNA合成、红细胞形成以及正常的神经功能。然而,它的来源却具有非同寻常的特殊性。人类、动物和植物都无法自行制造维生素B12,只有某些细菌和古菌具备合成它所需的生物化学机制。

病毒如何释放被困在细菌中的维生素B12

合成B12不仅需要复杂的代谢过程,而且代价高昂,只有少数微生物能够完成这一过程。因此,许多其他微生物已经进化出另一种生存方式:从周围环境中获取B12,或者获取与B12密切相关的化合物——钴胺素类化合物(cobamides)。

这种依赖关系广泛存在于海洋、土壤以及哺乳动物肠道等各种微生物生态系统中。

这就产生了一个生物学上的谜题:如果B12的制造成本很高,而且对于生产它的细胞又非常重要,那么为什么还会有足够多的B12释放到细胞外,从而供其他微生物使用?

发表在《ISME Journal》上的这项研究给出了一个出人意料的答案:病毒对细菌的毁灭。

为什么B12会被困在细菌内部?

噬菌体(phages)是一种专门感染细菌的病毒。只要有细菌存在的地方,通常就可能发现噬菌体。它们能够强烈影响微生物群落,包括人体肠道中的微生物群落。

在裂解性感染(lytic infection)过程中,噬菌体首先附着在细菌细胞上,并将自己的遗传物质注入细菌。随后,病毒劫持细菌自身的分子机器,让细菌为病毒制造大量新的病毒颗粒。最终,细菌细胞发生破裂。

新产生的噬菌体随之释放出来,但释放出来的并不仅仅是病毒。原本被锁在细菌细胞内部的DNA、蛋白质、糖类以及其他各种分子,都会随着细胞破裂而倾泻到周围环境中。

细菌细胞里有DNA、蛋白质、糖类以及各种物质,通常它会把这些东西储存在细胞内部,以便维持自身生长。噬菌体把细菌变成了营养来源,而研究人员发现,维生素B12也可能成为这种细胞“营养宝库”的一部分。

实验中包含两种细菌:一种细菌能够制造B12;另一种细菌需要B12,却无法自行制造足够的B12。当能够产生B12的细菌保持完整时,依赖B12的细菌无法正常生长。也就是说,B12虽然存在,却被“锁”在生产它的细菌细胞内部。

随后,研究人员加入一种能够摧毁B12生产菌的噬菌体,情况立即发生改变。当生产B12的细菌被噬菌体裂解后,B12被释放到周围环境中,其浓度足以支持另一种细菌生长。

在一个遗传背景明确的实验系统中,研究人员能够证明噬菌体是必要的。B12并不是简单地自行渗漏出来的。

如何证明真正促进微生物生长的是B12?

一个被噬菌体裂解的细菌会释放数以千计的不同细胞成分。因此,研究人员还必须证明:真正促进其他细菌生长的究竟是不是B12。

研究人员进一步使用了一种经过基因改造的细菌。这种细菌本身无法制造B12。但噬菌体仍然能够摧毁这些细菌,并释放它们内部的各种物质。但这时,依赖B12的微生物却没有生长。

这一结果说明,仅仅让细菌细胞破裂,并不足以促进其他微生物生长。但B12才是支持邻近微生物生长的关键资源。

B12的释放能够改变肠道细菌群落

随后,研究团队从简单的实验室双菌体系,进一步扩展到与人体消化道相关的主要细菌群体。结果再次发现:当噬菌体裂解能够产生B12的细菌时,那些依赖B12的肠道细菌会从中获益。而且,这种影响并不局限于某一个细菌物种。

研究表明,噬菌体释放的B12能够显著改变细菌群落的组成,并提高微生物群落的多样性。

值得注意的是,当研究人员只是直接向培养基中加入B12时,这种促进多样性的效果反而有所减弱。

这提示:营养物质本身固然重要,但营养物质在什么时间、什么地点、以什么方式释放,同样可能影响微生物生态系统。

人们过去通常从“噬菌体杀死哪些细菌”的角度理解噬菌体。而这项研究揭示了关系的另一面:当病毒摧毁一种微生物时,被摧毁细胞中的物质并不会凭空消失,它们可能转化为其他微生物可以利用的资源。

从这个意义上说,噬菌体可能扮演着一种微观世界中的“营养循环者”角色——把由某些微生物制造的重要分子,从生产者转移给那些依赖环境获取这些分子的其他微生物。

病毒在微生物生态系统中可能扮演更广泛的角色

这种现象可能远远超出人体肠道。

包括B12在内的钴胺素类化合物,会在从土壤到海洋的各种生态系统中被不同微生物相互利用和交换。此前的研究也已经发现,噬菌体能够在海洋微生物生态系统中促进B12释放。

这意味着,病毒感染可能具有一种容易被忽视的生态作用:噬菌体虽然杀死了它直接感染的细菌,却可能间接帮助附近其他、甚至完全不同的微生物。

对于肠道微生物组而言,这项研究提示,病毒影响微生物群落的方式可能远不只是决定“哪些细菌能够生存”。

它们还可能通过改变稀缺营养物质的供应,进一步决定:“哪些细菌能够获得生存所需要的资源。”

一个值得关注的生态学启示

这项研究实际上揭示了微生物世界中一个非常有意思的规律:死亡并不意味着生命物质的终结,而可能是生态系统中一次新的资源分配。

一个细菌被病毒杀死,它体内积累的B12、蛋白质、DNA和其他分子,又可能成为其他微生物生长的“养料”。

因此,在微观生命世界里,病毒既可能是杀戮者,也是资源循环的参与者;细菌既可能是病毒的受害者,也可能在死亡之后成为其他生命的营养来源。

这或许正是生态系统最奇妙的地方——生命与死亡并不是彼此割裂的两个过程,而是共同构成了物质循环和生命延续的一部分。

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