破解細菌抗藥性基因 仔豬腸道藏線索
撰文/Joanne Shih
在二十世紀初，科學家 Alexander Fleming 培養葡萄球菌時，不慎將黴菌污染致培養皿中，卻也因此意外發現抑制細菌生長的物質，當時第一個抗生素命名為盤尼西林（Penicillin），從被發現到廣泛應用於疾病的治療及預防，抗生素已有將近一世紀的歷史，不僅大幅降低感染性疾病的危害，改善人類生活品質，我們更將抗生素應用於畜牧業，作為治療疾病、預防感染以及促進生長之用，提升畜產動物的生產力。
抗藥性細菌帶來威脅
隨著抗生素的大量使用，細菌也有一套自己的演化與選拔機制，天生對抗生素有抵抗性（antibiotic resistance）的細菌存活下來，將帶有抗藥性的基因代代傳遞與繁殖，這些基因往往位於游離的基因載體上，例如質體（plasmid）或跳躍子（transposon），細菌也會透過各種機制，互相分享不同種類抗生素的抗藥性基因，讓抗藥性基因在細菌界中快速傳遞，這些菌株引起更嚴重且難以控制的感染。
多重抗藥性金黃色葡萄球菌（Multiple-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）是其中最惡名昭彰的菌株，在醫療場所引起嚴重的院內感染，而且幾乎沒有抗生素可以治療，也因此過去大多數抗藥性的研究主要針對醫源性造成的抗藥性；不過近來有學者發現抗生素在農業生產上的用量，已經遠高於人類醫療的使用，統計指出中國大陸的養豬業每年產生六億公噸的豬隻排泄廢物，生產過程中使用的抗生素伴隨其中被排出，人們再將排泄物作為堆肥使用，使得抗生素進入土壤與水源，進而影響整個食物鏈，更讓抗藥性基因穿梭於生態界中，我們對抗生素的高度依賴，以及常規用於農牧生產過程中，卻沒想到同時提供抗藥性細菌絕佳的環境大量繁衍，使得醫用抗生素的選擇越來越少。
基因解碼豬腸道內大腸桿菌
農業的抗生素濫用，是造成抗藥性成為一大公共衛生問題的主因，若要對付抗藥性細菌，就必須先知道抗藥性基因在食物鏈中如何傳遞，而豬隻在農牧業中為重要的產食動物，澳洲雪梨科技大學（University of Technology Sydney ）的教授 Steven Djordjevic 認為瞭解豬隻腸內正常菌叢的組成，以及抗生素與腸道菌叢的作用關係，是破解抗藥性基因的第一步，雪梨科技大學的的團隊近期發表一份研究，關於豬隻腸道內兩株大腸桿菌進行比較性基因組分析（Comparative genomic analysis）。
一般而言，大腸桿菌是環境中的常在菌（Normal flora），但是特定的菌株卻會造成嚴重疾病，其中腸內毒性大腸桿菌（Enterotoxigenic Escherichia coli，簡稱 ETEC）感染豬隻會造成下痢，在全球的養豬業造成嚴重的經濟損失，ETEC 有多種血清型（serotypes）都會引起豬隻下痢，其中血清型 O157 為具多重抗藥性的大腸桿菌，而不同品系的細菌也有不同的致病機制，ETEC O157 SvETEC 主要感染離乳期前後的仔豬，曾在澳洲新南威爾斯（New South Wales）引起嚴重感染，屬於相同血清型的 ETEC O157:K88 734/3 則是引起新生仔豬下痢；有部分的大腸桿菌，一旦食入被污染的食物，可能引起消化系統或泌尿系統的嚴重感染，腸出血性大腸桿菌（Enterohaemorrhagic E. coli，簡稱 EHEC）O157:H7 即是引起食物中毒的常見菌株。
研究團隊進行基因組分析，比較兩株腸內毒性大腸桿菌與腸出血性大腸桿菌之間的關聯，發現 ETEC O157 SvETEC 以及 O157:K88 734/3 的基因組成相當接近，而且發現兩者都帶有多重的抗藥性基因，對於許多現行使用的抗生素都有抗性，像是常用合成青黴素（Ampicillin）、四環黴素（Tetracycline）以及新黴素（Neomycin），研究也發現兩株大腸桿菌與感染人類的 EHEC O157:H7 親緣關係並不接近，但是仍有部分基因序列相似，。
目前不僅分析出特定大腸桿菌的抗藥性基因，並初步繪製出大腸桿菌的譜系圖，建立在這樣的研究基礎上，未來將進一步分析抗藥性基因的精確位置，以及這些基因與游離的基因載體之間的關聯，試圖找出對付抗藥性細菌的關鍵。
參考文獻
1.How pigs are helping researchers tackle antibiotic resistance. Medical Xpress, 2016
2.Comparative genomic analysis of a multiple antimicrobial resistant enterotoxigenic
E. coli O157 lineage from Australian pigs. Wyrsch et al. BMC Genomics 16:165, 2015
3.科學人雜誌：抗藥性細菌 有多流行？
http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=1427
圖片來源
https://sayanythingblog.com/entry/corporate-farming/
www.flickr.com/photos/niaid/16598492368
