细菌动员令
单细胞有机体能够被“训练”来输送药品
作者：Michael Day
2008-10-1，星期三
在巴甫洛夫的狗第一次听到铃声流口水的一个世纪之后，研究人员称，单细胞生物比如细菌也可以通过“训练”作出类似方式的反应。一个由德国、荷兰和英国研究者组成的研究小组的成果显示，细菌可以“学会”把一个刺激同另一个刺激联系起来。只是细菌使用的是分子电路，而不是复杂的神经细胞网络或神经细胞。
这就提出了一个可能性，生物工程师可以教古老的细菌变新的戏法，方法就是让细菌扮演人类身体卫兵的角色，准备好识别危险迹象并做出响应。研究小组在十月出版的Journal of the Royal Society Interface (DOI: 10.1098/rsif.2008.0344)上公布了上述结论。这一论断的基础是伦敦英国国家医学研究所的Chrisantha Fernando和他的合作者建立的理论模型，即单细胞有机体能够将同时应用的刺激联系起来。
正如巴甫洛夫的狗和所有其他联系学习的例子，两种刺激越多地一起出现，模型中的细菌就会学习给两种刺激建立越强的联系。加拿大神经心理学家唐纳德.赫布（Donald Hebb）早在1945年就建立了一个基本的解释，现在称为赫布学习论，通常被表述为一种“共同激活的神经元成为联合”的情况。
在饥饿的狗的例子中，由食物的气味触发的神经细胞开始与由同时响起的铃声触发的神经细胞建立起物理联系。根据赫布的理论，两种刺激越经常在同一时间应用，它们之间的联系或“突触权重”就越强大。
细菌当然没有突触或神经细胞。尽管如此，仍有迹象表明单细胞有机体可以学习。20世纪70年代，托德.亨尼西（Todd Hennessey）声称，单细胞池塘居民草履虫，可以达到实验室要求的条件。他电击草履虫并将此与一个蜂鸣器相联系，他声称，经过同时被暴露于蜂鸣器和电流中之后，草履虫游离蜂鸣器，而它们之前并没有这样做。这项发现从来没有被真正复制过，但它提出了一个引发人们兴趣的可能性，即某种联系学习对单细胞生命形式是有可能实现的。
现在Fernando的研究小组已经提出了一个如何训练细菌的模型。他设计了一个由多个基因和它们的助长者组成的细胞回路，回路生产的蛋白质（转录因子）互相切换接通和关闭，就像一个数字电路。研究人员理论中的电路由三个虚构的基因组成。其中两个基因，A和B，生产蛋白质pA和pB，pA和pB与其他转录因子iA和iB反应，接通第三个基因C。
基因产物pA和pB将存留于细胞中，于是成为一旦产生就将存留较长时间的一个记忆体。它们的浓度与巴甫洛夫的狗模型中的突触权重等价。只有与这些分子结合，iA和iB（气味和钟的类似物）才可以发挥作用。经过研究人员对iA和iB的配对，细菌能对iB做出响应，而之前细菌只对iA做出响应。这意味着细菌是被“训练”得对iB做出响应，Fernando说。
Eva Jablonka，特拉维夫大学理论生物学家，是在这一领域处于领先地位的研究者，她赞同这一说法。“这在概念上有点困难，”她说，“但如果你看看学习的定义——因为有些事情发生了，你有某些物理的痕迹，而这改变了未来响应的起点——那么这就是你在这里所看到的。”她补充：“我认为这是一个很好和有很强潜在应用价值的论文，而且我认为他们的确论证了联系学习论。”
此模型是基于这样的假设，即这种化学-基因电路可以被建立并且植入细菌，如大肠杆菌中。“在我看来，这一模型在理论上十分可行，而且我看不出存在建设设想中载体的大的明显的障碍。”Jablonka说，她本月发表了一篇关于单细胞有机体中调节的论文。
值得注意的是，Fernando估计，细菌中诱导产生的变化可以很容易地持续30分钟，这也是大肠杆菌的的生命周期。这将使得变化，即“学习”可以遗传，当培训细菌是用于医疗应用领域时这是特别重要的一点。“毕竟，疾病或者药剂的作用时间要长于30分钟，”Jablonka指出。
训练诀窍将是训练细菌识别人体中与危险相联系的化学过程。危险可以是对药物不利和危险的反应，也可以是肿瘤细胞的存在，预示某些组织里系统中的药物需要被激活。
基因工程远程控制细菌释放药物研究已在进行之中。例如，在2005年，美国国立卫生研究院的一个研究小组提出由基因工程自然产生的细菌释放抗病毒药物治疗艾滋病毒感染。一旦训练细菌更高效地完成这项工作变为实现，将给这一领域带来一个全新的发展方向。
Journal of the Royal Society Interface ，没有找到中文译名，以下是期刊的网址http://publishing.royalsociety.org/index.cfm?page=1572。
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