從噬菌體,談細菌會突變

>在莎士比亞著名悲劇奥賽羅 (Othello) 中,奧賽羅與美麗善良的黛絲蒂夢娜 Desdemona相愛而秘密成婚。黛絲蒂夢娜經常問起奧賽羅,他一生所經歷的戰鬥、圍城、和運氣等等;奧賽羅就提到他所經歷過的慘酷意外、海上與陸上的驚人事件、還有在城破人亡間刻不容緩的逃生。身份尊貴的黛絲蒂夢娜從奧賽羅的坎坷奮鬥中,看見了他內心深處的高貴;因此,不顧父親的反對而委身相許。

奧賽羅就曾提到:And of the Cannibals that each other eat/The Anthropophagi and men whose heads/Do grow beneath their shoulders (第一場第三幕)。而這些話就是指奧賽羅曾經遇到過彼此會相食的食人族生番,和一些頭顱長在肩膀下面的怪人。

而anthropophagi,這個字也就是食人族的意思。現在,我們倒是都遇到眼睛長在頭頂上的怪人。

>於一次大戰期間,在法國與英國的實驗室,有人觀察到細菌被一種更小的物體所摧毀,這個小東西還會自我增生。在1915年,細菌學家圖瓦特 (Frederick Twort, 1877-1950) 就寫了一篇短文到Lancet期刊,提到一種具有感染力和穿透力,能夠摧毀細菌的致病原,但他並不知道這是什麼。巴黎巴斯德研究所的細菌學家德雷爾 (Felix d’Herelle,1873-1949) 也提到,他過去在墨西哥研究腹瀉時,也曾發現過一種非常相似的致病原。1915年秋天,他幫忙調查巴黎騎兵隊正在流行的痢疾;在養痢疾細菌時,他再度發現一種能夠穿透最細緻的濾器並增生的致病原,不但可以寄生在細菌體內,還能夠摧毀細菌。德雷爾就將這種致病原命名為噬菌體 (bacteriophage)。這個字就是源自於希臘文所謂的吃東西的人,不過這個字已被簡化為phage。

> 許多學者都認為圖瓦特和德雷爾看到的現象,是一種細菌的酵素所引起,而非病毒。但是,我們之前介紹過那位發現輻射可造成突變的穆勒 (Hermann Joseph Muller, 1890-1967) 他就注意到,這些小物質不僅會增生,還會突變。穆勒更認為,如果可以將他們分離出來,在試管中處理,就可以用來瞭解影響細菌的特性。當時的穆勒,任教於印地安納大學;之後,提出DNA雙股構造假說的華森,就是因為穆勒,而前往印地安納大學就讀。但是,影響華森學術生涯甚巨的人並不是穆勒,而是華森的指導教授義大利籍的盧瑞亞 (Salvador Luria, 1912-1991)。

到了1926年,德雷爾已經用了三個階段來描述噬菌體的生活史。他提到噬菌體顆粒附著到容易受感染的細菌上,接著噬菌體在細菌體內增生,然後細菌溶解甚爆炸開來釋放出病毒顆粒的後代。而這些後代,能夠再度附著在容易受感染的細菌上。但是,我們要知道在那個年代,是沒有電子顯微鏡可以用來觀察這樣的現象。

但是,盧瑞亞的朋友,德國籍的戴爾布魯克卻不相信。他與義大利籍的艾利斯 (Emory Ellis, 1925-1993) 在一支試管內的培養基培養細菌,然後將足量的病毒加入試管,好讓每個細菌最起碼都有一個病毒可以附著。經過一段固定時間之後,細菌全部都爆開了,並釋放出大量的病毒。在細菌遭到摧毀的這一刻,原本細菌生長時呈現混濁的試管都變成澄清了,細菌全部不見了。戴爾布魯克與艾利斯於1939年將此結果發表,這也就是一步生長實驗 (one-step growth experiment),證明了宿主細菌的溶解與釋放噬菌體子代是同時發生的。但是,這項實驗的美,它的重要,不在於它的結果;而在於它所引發的後續問題。那就是一個病毒顆粒進入一個細菌細胞,二十分鐘後,細菌細胞就溶解了,釋放出一百個病毒顆粒。但是,一個病毒顆粒怎麼會在20分鐘內變成一百個同樣的顆粒呢?這是魔術嗎?

盧瑞亞與戴爾布魯克是在1940年底才認識的,之後,戴爾布魯克又介紹了一位對噬菌體感到興趣的赫胥 (Alfred Hershey, 1908-1997) 給盧瑞亞認識。這三個人,就是因為研究噬菌體而獲得1969年的諾貝爾醫學獎。

>由於美國無線電公司 (Radio Corporation of America, RCA,這家公司也在台灣曾設過廠,造成污染案) 於1939年製造出第一架電子顯微鏡,可以看到以前從未見到過的細部構造。於是,盧瑞亞在1941年就跑到這家公司,請求用電子顯微鏡來瞧瞧噬菌體的構造。天啊,看到了,居然他們還有尾巴呢,形狀就像是蚵蚪!

之後,電子顯微鏡的品質也愈來愈好。看到了不同種類的噬菌體,長相也不相同;有些像水塔,有些像水箱。噬菌體的頭部是呈圓錐型的,下方是一根窄細的鞘 (sheath),長度與頭部差不多。鞘底有一片底板,上頭有六個突起物以及六條細長且堅固的尾纖維 (tail fiber),用來完成噬菌體的致命接觸。

顯微鏡的照片也顯示,只有極少數的噬菌體真正進入到細菌宿主體內(甚至沒有),反而都是以尾纖維來黏附在細菌外殼,姿勢就像是上廁所要蹲下去一樣。經由化學分析知道,這些噬菌體都是由大約等量的蛋白質與DNA所組成;他的大部分頭部結構與每根尾部構造,就是由蛋白質來構成。

1951年,美國RCA公司的一名工作人員叫做哈瑞歐普 (Roger Herriot) 寫了封信給赫胥,說道:我一直在想,病毒可能表現得像是一個小針筒,裡面裝滿轉形因子;所以,像這樣的病毒從來沒有進入過細胞內,只有尾巴接觸到宿主。而且,可能是用酵素在細胞膜外側切出一個小洞,病毒頭部裡的核酸核酸就這樣流進了細胞內。

>長久以來,科學家對於細菌的抵抗力一直很困惑。所謂的抵抗力,也就是指在一個很大的細菌菌落裡出現一些變種細菌,對於原本容易侵犯它們的噬菌體反而具有抵抗力。當然,今天我們知道這是細菌發生了突變。但是,突變是自發性的發生而使細菌具有抵抗力,還是抗菌因子所誘發出的適應現象呢?

盧瑞亞在1943年一月的某個週末夜,參加了印第安那大學教職員的聚會。他看到同事在玩吃角子老虎,看到起伏甚大的報酬率,他突然靈光一閃,想到可以設計實驗來區分因誘導而產生抵抗力的細菌,還是因自發性突變而產生抵抗力的細菌。盧瑞亞的想法是,自發性突變而產生抵抗力的細菌就像是中樂透,其數量的波動範圍,遠超過因誘導而產生抵抗力的細菌。於是,盧瑞亞將大腸桿菌接種至培養皿,然後分裝培養皿繁殖,產生數十代以上的子代。他設想,如果抵抗力完全是從接觸到噬菌體的剎那才被誘導產生 (不是自發性突變的),則不管細菌是來自單獨族群的培養液,或是來自混合族群的培養液,結果都應該一樣。然而,巧就巧在,盧瑞亞觀察到在單獨族群的培養液中,產生具有抵抗力的細菌數目與平均值有很大的波動;少數幾支試管幾乎一開始實驗就產生了具有抵抗力的細菌,有些試管要在很久之後才開始產生具有抵抗力的細菌,有些試管甚至完全沒有這種細菌。

盧瑞亞的這項波動試驗(fluctuation test)證明了,細菌會突變。也因為細菌會突變,我們就可以研究細菌的基因重組情形了。

>對了,那奧賽羅和黛絲蒂夢娜的結局如何呢?莎翁啊,莎翁,你就是見不得人家好,那麼喜歡寫悲劇!好吧,告訴你,奧賽羅最後被挑撥,在憤怒中掐死了自己的妻子;但他得知真相後,在悔恨之餘也拔劍自刎,倒死在愛人身邊。嗚~,可以讓結局重組嗎?讓我念起咒語,突變、突變、突變,讓結局突變吧!別傻了,累了,休息去;待續,有空再寫。

arrow
arrow
    全站熱搜

    Irene 湘棋 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()