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Mutanofactin-697:一種可促進牙齒侵蝕的細菌次級代謝物

齲齒 (dental caries)是一種口腔細菌感染,即我們一般所說的「蛀牙」,為一種極為常見的疾病,如今我們也發展像牙膏等日常清潔、臨床塗氟或使用填充物等手段來進行治療。此疾病看似簡單,其形成過程卻非常複雜,因此也有相當多的研究期望能找出潛在的治病因子,以開發更有效的治療方法。

齲齒的產生可從細菌在琺瑯質(enamel)上的聚集開始,細菌聚集後會有生物膜(biofilm)的產生圖一[1]。正常情況下,口腔共生細菌(oral commensals)所分泌的 H2O2 會防止具致病性的細菌,例如轉醣鏈球菌Streptococcus mutans, S. mutans的過度生長,使生物膜維持正常且不具有生成齲齒的可能。不過,若環境充滿醣類等物質,S. mutans 所分泌的酵素就會作用,並漸漸地透過代謝反應使口腔環境 pH 值下降,且增加生物膜的數量及在牙齒表面的貼附性,達到大量繁殖、侵蝕牙齒的目的。儘管和 S. mutans 繁殖及生物膜形成相關的表面蛋白已獲得廣泛的研究,但對於小分子次級代謝物的研究卻較缺乏,因此來自柏克萊大學與香港科技大學的一支跨領域團隊便針對此問題進行研究,希望找出相關的分子機制,用於未來治療方法的開發 [2]

圖一:S. mutans 對生物膜形成帶來的影響 圖片來源:DOI: 10.1128/microbiolspec.GPP3-0051-2018

聚酮(polyketide)及非核糖體肽(nonribosomal peptide)為可被微生物利用的重要次級代謝物,有研究指出,S. mutans 的生物合成基因簇(bio-synthetic gene clusters, BGCs)所產生的次級代謝物具有阻止白血球滲透、殺死口腔共生菌等能力,但對於提高生物膜形成及貼附等特性尚屬未知。針對此問題,研究團隊便利用 BGCs 中的一員,muf 基因和生物膜形成高度相關進行實驗,他們首先利用基因剔除(gene knock-out)方法觀察 muf 基因存在與否對於生物膜形成的影響,發現在剔除 muf 基因後,生物膜的生長變得鬆散且呈海綿狀圖二),且在震盪後會失去貼附在培養基上的能力,證明 muf 對生物膜的穩定有相當大的影響。

圖二:muf 基因剔除實驗,可看到移除 muf 後的生物膜明顯不穩定呈鬆散狀(左圖為震盪前,右圖為震盪後)。 圖片來源:DOI: 10.1038/s41589-021-00745-2

團隊進一步評估與表面貼附能力及耐酸性相關之物化參數,驗證 muf 基因對於生物膜形成的影響後,接著利用高效液相層析質譜儀(liquid chromatography-high-resolution mass spectrometry)對此基因產生的次級代謝物進行結構鑑定及相關實驗,分析所得主要代謝物結構如(圖三)所示,稱為 Mutanofactin-697。經過結構與生物資訊分析,推測該化合物是經由聚酮合酶(polyketide synthases, PKSs)及非核糖體肽合成酶(nonribosomal peptide synthetases, NRPSs)的生物合成路徑(NRPS-PKS pathway)而得到的產物。團隊進一步研究其生物功能,在使用人工牙齒(材質為丙烯酸樹脂)的生物膜形成實驗中,發現即使剔除了 muf 基因,在額外加入 mutanofactin-697 的情況下依然可長出較為緊緻的生物膜,顯示此分子對促進 S. mutans 繁殖扮演重要角色。

圖三:mutanofactin-697 分子結構(此處代號為 5)與人工牙齒實驗,可看到外加此分子後生物膜明顯增加及趨向穩定。 圖片來源:DOI: 10.1038/s41589-021-00745-2

除了上述實驗外,團隊也探討 mutanofactin-697 和細胞外 DNA(extracellular DNA, eDNA)的關聯性,eDNA(例如:DNase I)對細菌的聚集、生物膜形成及貼附性有相當大的影響 [3][4];部分次級代謝物,例如綠膿素(pyocyanin),會和 eDNA 結合形成生物膜。實驗結果表明,在同時加入 mutanofactin-697 eDNA 的情況下,細菌聚集的程度會比任一方單獨加入來得多,顯示此分子具有和 eDNA 作用而促進生物膜形成的可能性,有助於未來相關研究與實驗的參考。

圖四:左圖為細菌聚集實驗,右圖為 mutanofactin-697 和 eDNA 結合促進生物膜形成的假說 圖片來源:DOI: 10.1038/s41589-021-00745-2

綜合以上,可知道微生物次級代謝物對生物膜的形成至關重要,在 S. mutans 的例子中也具有促進齲齒發生的可能性,儘管和 mutanofactin-697 相關的調控機制仍須進一步研究,但此分子的發現無異為齲齒預防及治療帶來嶄新的思考方向,說不定未來就會有一種阻斷此類次級代謝物產生的藥物出現呢!

 

參考文獻:

  1. Lemos, J. A., Palmer, S. R., Zeng, L., Wen, Z. T., Kajfasz, J. K., Freires, I. A., Abranches, J., & Brady, L. J. (2019). The Biology of Streptococcus mutans. Microbiology spectrum, 7(1). DOI: 10.1128/microbiolspec.GPP3-0051-2018
  2. Li, Z. R., Sun, J., Du, Y., Pan, A., Zeng, L., Maboudian, R., Burne, R. A., Qian, P. Y., & Zhang, W. (2021). Mutanofactin promotes adhesion and biofilm formation of cariogenic Streptococcus mutans. Nature Chemical Biology, 17(5), 576–584. DOI: 10.1038/s41589-021-00745-2
  3. Whitchurch, C. B. (2002). Extracellular DNA Required for Bacterial Biofilm Formation. Science, 295(5559), 1487. DOI: 10.1126/science.295.5559.1487
  4. Devaraj, A., Buzzo, J. R., Mashburn-Warren, L., Gloag, E. S., Novotny, L. A., Stoodley, P., Bakaletz, L. O., & Goodman, S. D. (2019). The extracellular DNA lattice of bacterial biofilms is structurally related to Holliday junction recombination intermediates. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(50), 25068–25077. DOI: 10.1073/pnas.1909017116

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Investigator 選文|Bacterial Biofilm and its Role in the Pathogenesis of Disease

撰文|梁文
審稿|陳品萱

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梁文

就讀於東海大學生命科學系生物醫學組。目前在食品科學系進行靜電紡絲相關的專題研究,對於跨領域的研究有興趣,未來想朝生醫(or生物)工程的領域發展,期盼加入Investigator後除了能認識更多相關領域的人,在生物相關領域上一起努力。

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