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  自 1970 年开始,科学家们就注意到了在美洲、非洲、澳洲等地两栖类数量异常下降的现象。直到 1998 年,蛙壶菌才被命名并被证实为引起蛙类异常死亡的主要原因之一。

  几十年来,科学家们一直想知道,拯救青蛙于致命的蛙壶菌,关键是否在于它们的皮肤?他们能否对青蛙粘液中的细菌进行基因改造,提高其抗真菌性能,从而在青蛙身上创造一种 “活药”?

  史密森保护生物学研究所的科学家 Brian Gratwicke 和他的伙伴着手测试益生菌是否可以保护青蛙免受蛙壶菌的侵害。这项研究的结果发表在 2021 年 10 月 18 日的 ISME Communications 杂志上。

  蛙壶菌是一种专门感染青蛙的真菌病原体。青蛙靠它的皮肤维持体内平衡,当皮肤被壶菌感染时,会破坏其饮水、交换离子和机体正常运作的能力。对这种疾病没有抵抗力的青蛙群体,会因为皮肤感染并最终导致心脏病发作,从而死亡。

  有些青蛙群体能够分泌抗真菌化学物质,或者在它们的皮肤上有共生细菌,分泌抗真菌代谢物。而有些青蛙群体极易感染这种疾病,如巴拿马的一种群体 Atelopus,或丑角蟾蜍。

  自 2008 年以来,Brian Gratwicke 团队一直在尝试为蛙壶菌开发益生菌治疗方法。他们想要通过基因工程改造一种巴拿马金蛙皮肤上的原生细菌,然后再重新植入青蛙的皮肤,使其不断增殖,以产生更多的抗真菌代谢物。也就是说,让这些细菌充当 “活的药剂”,成为青蛙皮肤上的永久固定物,长期保护它们免受蛙壶菌的侵害。

  Brian Gratwicke 团队设置了两个实验来验证自己的假设,并与麻省理工学院 (MIT) 的合成生物学中心生物工程系合作开发益生菌。

  第一个实验,将一种单一细菌定植于青蛙皮肤,这种细菌经过基因改造,可以产生更多的抗真菌代谢物。

  第二个实验,使用了一种混合菌群,这些菌群能够产生抗真菌代谢物,而且是从金蛙身上分离出来的,确定可以在其皮肤上存活。

  图 SCBI 的科学家与麻省理工学院 (MIT) 合成生物学中心生物工程系合作开发了一种工程益生菌(来源:nationalzoo.si.edu)

  将基因改造细菌的代谢物与活蛙壶菌在试管中混合,发现它们的抗真菌性能增加了。接下来就是验证其在青蛙活体上是否有同样效果。

  在将新细菌定植于青蛙的皮肤之前,先对青蛙进行了抗生素治疗,以减少现有细菌的数量,这有助于新细菌 “粘附”。为避免青蛙产生的免疫反应杀死细菌,实验中采用逐步加强浓度的接种计划。

  接种单一细菌的青蛙每隔一天浸入 100 毫升溶液中,持续 10 天。在第 1 天,溶液每毫升含有 375,000 个细菌细胞;在第 3 天,细菌数量增加到每毫升 750,000 个细胞;在第 5、7 和 9 天,细菌数量为每毫升 1,500,000 个细胞。

  接种混合菌群的青蛙也遵循类似的给药时间表。因为它们的溶液中含有七种细菌,所以每次都保持相同的低剂量。到第 10 天,这些连续的低剂量相当于高剂量的细菌。

  整个过程中,没有看到基因改造的工程益生菌治疗的任何不良反应。在结束给药后一天,经检测,大量细菌成功定植于青蛙的皮肤上。然后对以上实验组的青蛙应用蛙壶菌,4 周后进行检测。结果显示,原生菌已经重新取代了经过基因改造的细菌。

  最终,无论青蛙接种单一细菌溶液、混合菌群溶液,它们都患上了壶菌病,并且死亡率都与对照组相同。因此,事实证明,两种治疗方法都不能为青蛙提供免受蛙壶菌感染的保护。

  最后,Brian Gratwicke 表示:“这项研究说明了我们在操纵微生物组和使用合成生物学解决实际环境问题方面面临的一些挑战。我们了解到很难操纵青蛙身上的原生微生物组,也很难预测细菌将如何发挥作用 —— 会持续存在,还是会在群落中休眠?尽管我们的细菌在试管中对抗蛙壶菌效果很好,但放在青蛙的皮肤上,无法起到同样效果。这是一个技术上具有挑战性的实验,但它也是我在史密森保护生物学研究所所做的最具创新性和有趣的研究项目之一。”

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