琉球大學研究生院醫學研究科的許駿助教、山城哲名譽教授、日本東北大學研究生院工學研究科的中村修一副教授、東京大學研究生院工學研究科的富岡倫太郎研究員等人的研究團隊於4月13日宣佈，發現霍亂弧菌受光時會趨於活躍。研究發現，霍亂弧菌的光感受性酶（PAC）會使資訊傳遞物質cAMP增加，進而提升鞭毛的運動性。該機制可能參與了環境適應及感染確立的初期過程，有望推動這些過程的闡明。相關研究成果已發表在期刊《PNAS》的4月9日刊上。
圖1 霍亂弧菌的感染周期與環境應答（供圖：琉球大學）
A：霍亂弧菌的感染周期。人類因攝入被霍亂弧菌污染的飲用水或食品而感染，引發腹瀉。排洩的糞便中的霍亂弧菌流入環境水源（河流等），在自然環境中生存並再次成為人類的感染源。
B：霍亂弧菌的環境識覺與運動性。霍亂弧菌利用一根極生鞭毛游動，一邊感知粘度、溫度、pH、鹽濃度、降水等多種環境因素，一邊調節自身行為。本研究在這些因素之外，進一步聚焦於光影響霍亂弧菌運動調控的可能性。
圖2 光對霍亂弧菌運動的影響（供圖：琉球大學）
A：光照引起的霍亂弧菌移動距離變化。在顯微鏡下追蹤霍亂弧菌的運動後證實，黑暗條件（Light OFF）下移動距離的增加較為平緩，而開啟光照後（Light ON），細菌游動速度加快，移動距離急劇增加。
B：不同照明環境下的霍亂弧菌分佈。上圖為均勻照明條件，下圖為明亮區域與黑暗區域共存的梯度照明條件。在梯度照明條件下，觀察到了霍亂弧菌在明亮一側運動更為活躍的傾向。
C：光照下霍亂弧菌細胞產生的cAMP濃度的時序變化。已確認受到強光照射後，細胞會生成更多的cAMP。
霍亂是因攝入被霍亂弧菌（一種細菌）污染的水或食品而導致的急性傳染病，是世界各地公共衛生領域的難題。在大腸內定殖並增殖的霍亂弧菌會產生霍亂毒素，引起大量水樣腹瀉。在細菌感染中，「運動能力」至關重要，此前已知細菌可通過旋轉細長的鞭毛在水中游動，並根據溫度、營養、化學物質等環境變化改變行為。
另一方面，儘管細菌棲息在光線可及的水環境中，其對光的應答卻尚未闡明。為此，此次研究團隊對霍亂弧菌的光應答開展了詳細研究。
首先，研究人員在用顯微鏡觀察從河水中分離的霍亂弧菌的同時，對其進行光照，檢測細菌的運動情況。結果發現，細菌受光時游動速度加快，處於運動狀態的菌數量也有所增加。
當開展在同一顯微鏡視野內製造明亮場所和黑暗場所的實驗時，研究人員觀察到了明亮區域細菌的運動更為活躍的傾向。這一反應中有一種受光後開始工作的特殊酶（光感受性腺苷酸環化酵素：PAC）參與。PAC在細菌細胞內產生資訊傳遞物質cAMP，激活鈉轉運系統。研究認為，其通過促進細胞外鈉離子排出，使鈉濃度梯度升高，作為鞭毛馬達旋轉能量來源的鈉驅動力隨之增大，從而激活霍亂弧菌的運動性。
這一機制表明光作為「資訊」被傳遞至細胞內，細菌根據燈火信號調節自身運動性，同時表明病原性細菌能夠巧妙地解讀週遭環境。通過進一步研究環境轉發器製，有望助力病原菌的感染控制。
許駿助教表示：「本研究揭示了霍亂弧菌利用光這一環境信息來調節運動性的機制。我認為至關重要的一點是，細菌並非單純受環境的影響，而是將環境作為資訊攝取並據此來改變自身的行為。今後，希望通過加深對這類環境應答的理解，助力闡明病原細菌的行為與生存策略。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）
論文：Light-activated cAMP signaling controls sodium-driven motility in Vibrio cholerae
DOI：10.1073/pnas.2530860123
