攝影│張語辰
為什麼研究細菌？
細菌的多樣性非常高，因為演化的歷史比動植物長很多，可以生存的環境也很多樣。
目前證據顯示細菌在三十億年前就在地球上出現，而多細胞生物的演化史則不到十億年。另外動植物能生存的範圍蠻窄的，但無論在高溫、低溫、高壓、低壓、低氧……什麼奇怪的環境都能找到細菌，所以能探討的題目就很多。
我從博士後訓練時期開始投入「細菌基因體演化」的研究。一開始先問巨觀的問題，例如說有什麼演化趨勢是在大部份的細菌都會發現。 2010 年起在中研院建立自己的實驗室，興趣也轉向針對微觀的細節深入研究。近年來主要的研究材料是柔膜菌綱中的「植物菌質體」和「螺旋菌質體」。
細菌演化有何奇妙現象？
在演化的歷程中，細菌擁有的基因「種類」和「數量」會有劇烈的變化。
資料來源│Winding paths to simplicity: genome evolution in facultative insect symbionts (CC-BY 授權) 圖說重製│林婷嫻、張語辰
若以基因體大小和宿主依賴度來分，細菌可分為「環境微生物」、「兼性共生菌」、「絕對共生菌」。
在細菌演化的歷程中，一開始的環境微生物基因體較大，帶有各式各樣在自然環境中生存所需的基因。但經過「第一次過渡事件」後，就從完全不依靠宿主，變成兼性共生菌，在有些條件下和宿主一起存活。
當需要依靠特定的動植物時，細菌的族群就不能比宿主大，一但細菌的族群變小，「天擇」的力量就會減弱，由隨機事件掌控的「遺傳漂移 (genetic drift) 」就變得比較重要。許多突變，即使對細菌本身不利，都有機會因為隨機事件遺傳給下一代，甚至到族群中所有個體。
族群大，天擇重要；族群小，遺傳漂移重要。
細菌基因體的突變，最常見的形式是「基因丟失」，這些被丟失的基因不是絕對必要、比較像「備用工具」，若失去這些備用工具平時不會產生大影響，這個結果就容易遺傳給下一代。
到了「第二次過渡事件」，細菌從兼性共生變成絕對共生，不能再離開宿主，例如柔膜菌綱的「植物菌質體」。這時候因為很多營養可以改成從宿主身上取得，許多自行合成氨基酸、脂質等養份的基因就像不再被需要的備用工具，也自然從細菌的基因體中消失。也因此這些細菌可能走入演化的死巷，難以再轉換到其他的生態棲位。
細菌三十億年前出現在地球上，這些基因演化發生地多快多慢，目前並不清楚，因為細菌不像恐龍有化石紀錄，很難定年。
實驗室在研究哪些細菌？
我們實驗室主要研究柔膜菌綱中的細菌。這類細菌最廣為人知的是「黴漿菌」，引起很多人類跟動物的重要疾病，世界上有很多實驗室在研究。而我們則主要研究「植物菌質體」和「螺旋菌質體」，並比較這三群細菌間的異同。
資料來源│郭志鴻提供 圖說重製│林婷嫻、張語辰
植物菌質體是一群由昆蟲傳播的植物病菌，幾十年來都無法被人工培養。我們透過基因體定序，由受感染的植物中分別解出「植物」和「植物菌質體」的 DNA 序列 ，並將「健康的植物」和「被感染的植物」做比較分析，來了解植物菌質體如何讓植物生病，這對農業非常重要。
圖片來源│Genomic and evolutionary aspects of phytoplasmas (CC-BY 授權)
植物菌質體進入植物體內後，會分泌小小蛋白質、調控植物細胞裡基因的表現，讓該開花的部位長出很多葉子。
植物菌質體可以將植物「開花」的機制切換成「長更多葉子」的機制，如此一來植物無法傳宗接代，在演化上等於死掉一樣。而且因為植物無法開花結果，對農業生產造成很大的問題。
除此之外，植物菌質體還會降低植物用來防禦昆蟲的化學物質、吸引昆蟲來吃植物，這麼一來植物菌質體又能藉由昆蟲散播到新的宿主。我們正在研究植物菌質體是利用什麼機制來調控這過程。
相對於「植物菌質體」都會讓植物宿主生病，同屬於柔膜菌綱的「螺旋菌質體」，大部分是節肢動物的共生菌，有的會讓宿主生病、有的不會。
這是螺旋菌質體好玩的地方，我們能從「比較基因體學」的角度，去看螺旋菌質體這個屬內的「病菌」和「非病菌」物種的基因哪裡不同，是多了或少了某個基因造成這種差別；也能探討這些演化是如何發生，是藉由「垂直基因遺傳」、或是「水平基因轉移」。
資料來源│Chemotaxis without Conventional Two-Component System, Based on Cell Polarity and Aerobic Conditions in Helicity-Switching Swimming of Spiroplasma eriocheiris
(CC-BY授權) 圖說重製│林婷嫻、張語辰
為什麼有些細菌會致病、有些不會？
我們這幾年研究蚊子身上的螺旋菌質體，結果發現有致病性的 S. taiwanense 能夠消化的「碳水化合物」較少，但因為帶有一組非病菌所沒有的 glpO 基因，能在蚊子體內改吃甘油、並生成「過氧化氫」等「活性氧物種」，造成蚊科宿主的細胞溶掉、釋放出細胞裡的蛋白質和脂質， S. taiwanense 就能吃這些蛋白質和脂質作為養分來源，相當具有侵略性。
資料來源│Comparison of Metabolic Capacities and Inference of Gene Content Evolution in Mosquito-Associated Spiroplasma diminutum and S. taiwanense (CC-BY-NC 授權) 製圖/修改│羅文穗、張天昫、林婷嫻、張語辰、郭志鴻
S. taiwanense 這樣苦苦相逼宿主有什麼好處？它採取的策略是，只要我傷害宿主可以多複製幾個細胞，提高傳播到下個宿主的機會，就是有利的生存策略。反過來說，若宿主是獨居性的動物，一座山頭只有一隻，共生菌就會傾向與宿主和平共存，因為若傷害宿主、細菌也無法存活。
共生菌要多具有侵略性，受限於宿主的「族群密度」和「傳播機會」。
會做這個題目是因為，我們透過文獻知道 S. taiwanense 和 S. diminutum 這兩種螺旋菌質體都是蚊子的共生菌，但 S. taiwanense 會使蚊子生病， S. diminutum 卻不會。
我們選了一些與 S. taiwanense 、 S. diminutum 親緣關係相近的菌種，比較這些菌種的演化史，看看是哪個基因造成這種差別。除了多瞭解台灣本土的昆蟲共生菌之外，也許有機會發展於登革熱的生物防治。
細菌會水平轉移基因？
以前課本教：基因是爸媽遺傳給我們，因此一般會認為生物演化大多是「垂直基因遺傳」，再慢慢累積突變，造成物種間的差異。而「水平基因轉移」的意思是，一個物種可以從其他物種得到自己原本所沒有的新基因，這是細菌演化上很重要的機制。
細菌是體細胞兼生殖細胞，所以很容易「水平轉移」基因。
如下圖，我們分析細菌的親緣關係，發現剛剛提到的 glpO 基因是從別的菌種「水平轉移」拿來的。這些新拿來的基因不只存在於細菌基因體中裡，還會被納入基因調控的分子機制中、產生新的反應。
(B) 圖：來自 S. taiwanense 的基因 (STAIW_v1c07530) 跟其他的螺旋菌質體物種的基因(紅色)關係較遠，反而跟黴漿菌的基因(藍色)關係較近，推測可能是因為此基因是 S. taiwanense 自黴漿菌水平轉移而得到。
資料來源│Molecular Evolution of the Substrate Utilization Strategies and Putative Virulence Factors in Mosquito-Associated Spiroplasma Species (CC-BY-NC 授權)
「超級細菌」是怎麼回事？
目前人類了解的細菌不到整體百分之一，而新科技的發展讓我們開始慢慢了解許多過去沒研究過的細菌。有在實驗室被成功培養出來的細菌中、會讓人類生病的是少數中的少數。
大約一百年前，抗生素剛被發現就像「魔法子彈」，可以治療幾乎所有細菌感染的疾病，但後來抗生素開始失去效果，因為細菌經由基因突變、或藉由水平基因轉移，可以抵抗抗生素。「超級細菌」是因為具備多重抗藥性，已經湊齊能抵抗不同抗生素的基因，除非醫學又開發出新型的抗生素，否則醫生就無藥可用。這過程就像人類和病菌間持續的軍備競賽。
帶有這個抗藥性的基因對細菌有利，這是人類造成的天擇。
天擇造成的生存壓力很大，本來只有某種細菌有某個特定的抗藥性基因，但不同的細菌之間容易互相藉由「水平轉移」傳播抵抗不同抗生素的基因。在疾病管理上，盡量不要讓不同病人帶有的病菌有機會互相接觸。
若要避免產生超級細菌，唯一有效的方法是不要用抗生素。因為在有抗生素的環境中，細菌帶有抗藥性的基因是有利的；但若在沒有抗生素的環境下，細菌帶有抗藥性的基因就變得多餘。
實際上，不要用抗生素真的很難，若非得要用，就要用得徹底，醫生開給你七天的藥就要吃完，讓足夠的藥劑量將病菌在發展出抗藥性前徹底殺死。
如何找到實驗靈感？
沒有公式可以依循，失敗的題目遠比成功的多。
我們從文獻上知道有哪些細菌存在、知道前人做了什麼、有哪些可以做還沒做、有不有趣。做完這些評估，我們再來想想實驗室能不能做到，覺得有希望就試試看。
失敗的話怎麼辦？就偷偷傷心一下下再努力(笑)。例如說賣雞排，倒掉的店也比賺大錢的多，這點可能各行各樣都差不多。
走學術研究這條路，從研究所開始就是不斷面對失敗的訓練。當上老師後不但要分擔學生的挫折，還要為了研究計畫的申請跟成果的發表奮鬥。雖然不斷面對失敗免不了難過，但回頭看過程中學到的經驗，怎麼把困難的問題理出頭緒，找到自己的看法，最後能有幾個有趣的故事可以說出來跟大家分享，這就是做研究迷人的地方。
