微生物學 科學報導

有“生命之糖”美譽的海藻糖可能是促成致病菌生長的因子?

海藻糖是個非還原雙糖,在自然界中廣泛的存在於生物體內,舉凡蘑菇,龍蝦,釀造酵母,甚至細菌的細胞壁上都可以看到這種糖的身影。它有著極佳的保濕能力,同時有著特殊的穩定性,可以在脫水與低溫的環境中穩定生物分子 (例如:蛋白質與細胞膜),因此具有被工業界廣泛利用的價值 [1]。

2000 年,日本的 Hayashibara International 公司開發了一種可由玉米澱粉當中大量生產海藻糖的方式 [2],自此大幅降低了生產的成本。同年,美國食品和藥物管理局給予海藻糖安全認證,並於隨後的 2000 年 10 月在美國市場上市,正式開啟了這個雙糖被廣泛添加在食品與藥物當中的時代。現在,我們在巧克力,麵包,蛋糕,冰淇淋,甚至生物製劑與器官的保存液當中,都可以看到海藻糖的身影 [3]。

但這個神奇的雙糖,是否真的安全呢?或是應該問,你有沒有想過,這個被人類廣泛使用的雙糖,可能會幫助特定一些細菌(特別是病原菌)的生長呢?

美國 Baylor 醫學院研究團隊在今年 (2018) 的 Nature 期刊上發表了他們的最新研究 [4]:他們發現感染後會造成腹瀉和結腸炎,甚至導致死亡的腸道菌:Clostridium difficile(艱難梭狀芽孢杆菌),在近幾年來在北美與歐洲的感染發生率的增高,可能與海藻糖於千禧年後進入北美與歐洲的食物市場的時機有關(如圖一所示)。因此,他們去探討了其中兩株具有抗抗生素特性的致病菌:RT027 與 RT078,對海藻糖的代謝機制相對其他的艱難梭狀芽孢杆菌有何不同。

研究當中顯示,RT027 與 RT078 分別藉由不同的機制,得以利用低濃度的海藻糖作為唯一的碳源,因此能在複雜的腸道細菌群落當中取得生長優勢。

對 RT027 而言,主要影響的是代謝海藻糖所需的 Phosphotrehalase enzyme (TreA) 以及調控 TreA 的轉錄抑制蛋白 (Transcriptional repressor, TreR)。研究顯示,大部分分離出來的 RT027 菌株都具有 L172I 突變的 TreR ,突變的 TreR 失去了調控 TreA 的能力,使 RT027 有更佳的能力可以代謝海藻糖。此外,小鼠研究的結果也顯示 TreA 的活性與小鼠被 RT027 感染的致死率以及Toxin B 的濃度有正相關。

至於 RT078 呢?研究顯示不同於 RT027 的 TreA-TreR 機制,這株病原菌之所以可利用低濃度的海藻糖與磷酸葡萄糖轉移酶系统 (PTS) 當中的運輸蛋白 (transporter, PtsT) 有關。 因為 PtsT 的存在,RT078 可以在低濃度的海藻糖 (10 nM) 當中生長。

就這篇研究的結論而言,研究團隊認為,在 2000 年之後,艱難梭狀芽孢杆菌的感染事件倍增,海藻糖開始被添加在食品當中是一個關鍵的因素。縱使單單依照這篇研究就要推翻 2000 年美國 FDA 給予海藻糖的安全認證有些困難,但假使後續證明海藻糖是困難腸梭菌感染與影響其嚴重程度的顯著危險因素,那麼可能就需要修正治療指引,指導高危險患者遵循低海藻糖的飲食 [5]。

https://goo.gl/YEQkWG

參考資料:

  1. Higashiyama, T. (July 2002). Novel functions and applications of trehalose. Pure Appl. Chem. 74, 1263-1269. http://doi:10.1351/pac200274071263
  2. Yamamoto T, Maruta K, Watanabe H, Yamashita H, Kubota M, Fukuda S, Kurimoto M. Trehalose-producing operon treYZ from Arthrobacter ramosus S34. (2001). Biosci Biotechnol Biochem. June;65(6):1419-23. http://doi: 10.1271/bbb.65.1419
  3. Chen F, Fukuse T, Hasegawa S, Bando T, Hanaoka N, Kawashima M, Sakai H, Hamakawa H, Fujinaga T, Nakamura T, Wada H. (2004). Effective application of ET-Kyoto solution for clinical lung transplantation. Transplant Proc. Nov;36(9):2812-5. http://doi:10.1016/j.transproceed.2004.10.005
  4. Collins J, Robinson C, Danhof H, Knetsch CW, van Leeuwen HC, Lawley TD, Auchtung JM, Britton RA. Dietary trehalose enhances virulence of epidemic Clostridium difficile. (2018). Nature. Jan 18;553(7688):291-294. http://doi:10.1038/nature25178
  5. Abbasi J. Did a Sugar Called Trehalose Contribute to the Clostridium difficile Epidemic? (2018). JAMA. Apr 10;319(14):1425-1426. http://doi: 10.1001/jama.2018.0888

撰文│周嗣堯
審稿│邱亮源

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周嗣堯

愛車愛狗最近必須愛小孩的人。有三張陽明大學的畢業證書,是個合格醫檢師,也是個蛋白質科學家與結構生物學博士。

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