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破解細菌抗藥性基因 仔豬腸道藏線索

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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。

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延伸閱讀:化療是否產生療效,基因變異決定

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。

延伸閱讀:生物安全鎖 防止基改科技失控

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

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