美国哥伦比亚大学的生物学家找出了细菌能够在拥挤又缺氧的环境下得到足够氧气、并供应生长所需能量的原因，这些研究成果能够解释包含绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）在内的特定菌种，能在生物膜等缺氧环境下生存并抵抗抗生素作用的原因。
这项研究由哥伦比亚大学生物学助理教授 Lars Dietrich 带领的研究团队所发表，Lars Dietrich 表示，囊肿性纤维化（Cystic Fibrosis，CF）是一种常见的遗传性疾病，患者的症状多出现于肺部以及消化系统，而造成患者死亡的主要原因之一，就是绿脓杆菌生物膜的感染。因此，研究绿脓杆菌以及其他菌种在缺氧环境下的生存方式，能够为发展治疗方法提供基础，帮助囊肿性纤维化患者以及免疫功能低下的患者。
细菌虽然是单细胞生物，但他们在环境中很少独自生长，大多的细菌会群聚在一起，借由聚集的力量形成带有组织特性的生物膜，做为支撑强化族群生长的平台，在生物膜中生长的细菌对于抗生素的抗药性大约可以提升至 1,000 倍。
在生物膜中的每一个细菌都需要从摄取的养分产生电子，将电子沿着细胞膜传递到能够接触氧的位置，借由这种机制释放能量的过程，是生物维持生长代谢所需的必要步骤。但当细菌形成生物膜之后，大量的细菌紧密堆叠所形成的拥挤环境，迫使每个细菌都需要竞争有限的养分与氧气，以维持个体生存所需。
研究团队发现，包含绿脓杆菌在内的某些种类细菌，在低氧的生物膜中能够应用不同的生存策略。举例来说，生物膜中聚集的细菌，可以改变生物膜的整体结构，提升表面积体积比（surface area-to-volume），让生物膜内能有更高比例的细菌表面接触到氧气。
CcoN4 能够影响细菌的致病力
研究团队探讨了当细菌处在生物膜型态时，绿脓杆菌的某个末端氧化酶（terminal oxidases）对代谢的重要性。在生物体内所进行一系列将电子转换为能量的步骤中，研究团队也发现，其中关键步骤电子传递链机制在生物膜内的细菌缺乏氧气的情况下，扮演非常重要的角色。细菌在缺氧环境下，需要透过电子传递链一种末端氧化酶 CcoN4 的帮助，以获取氧气并正常生长，而缺乏 CcoN4 蛋白质的细菌也无法存活，因此研究团队认为 CcoN4 能够影响细菌的致病力。
在证实了末端氧化酶 CcoN4 对细菌在缺氧环境下的生长有重要影响后，研究团队又进一步探讨在先前已知绿脓杆菌制造能够帮助其拓植（colonization）形成菌落的吩嗪类化合物（phenazines），在这些过程如何解决环境中的低氧问题，以及这些适应低氧环境的策略，在绿脓杆菌造成感染的机制中所扮演的角色。研究团队也发现，CcoN4 在生物膜中也能够帮助吩嗪化合物发挥其作用。吩嗪虽然已经在先前研究中，被证实能够补足绿脓杆菌在缺氧生物膜环境下的代谢需求，但其中机制仍不清楚。
Dietrich 表示，绿脓杆菌非常善于在缺氧环境下获取氧气，并对此发展出各种不同的策略。虽然科学家已经知道吩嗪参与其中，但仍然不知道吩嗪在这个机制中如何帮助细菌。而现在研究团队发现其中应该和电子传递链有关，这项资讯对于了解细部过程是一个重要的连结。
在先前，科学家虽然知道细菌在氧气充足的环境中，能够利用不同的途径代谢能量，但一直以来都无法了解在氧气难以获得的条件下，细菌究竟如何能够不受影响继续生存。这项发现对于发展绿脓杆菌生物膜感染的治疗方式是一步推进，了解绿脓杆菌的生存模式以及致病力是如何产生，能够对病患的医疗方法提供基础，研发新疗法例如干扰末端氧化酶 CcoN4 的活性以及作用，或许就能够降低细菌感染以及造成疾病的能力。
这项研究的经费来自美国国家卫生研究院（National Institutes of Health）以及国家科学基金会（National Science Foundation），研究成果也于日前发表于科学期刊《eLife》。
Dietrich 表示，他们已经对细菌如何在如此艰困环境中生存的原因有更多一层的了解，而现在研究团队也正进一步研究其中的机制，并开始寻找干扰破坏该机制的方法。
- Researchers identify how bacterium survives in oxygen-poor environments
（首图为示意图，来源：shutterstock）
