這些病毒真的能侵入已壞死細胞,再賦予其生命嗎?

問題來自:【科普/字幕】 Youtube轉載 何為「生」何為「死」?_趣味科普人文_科技_bilibili_嗶哩嗶哩彈幕視頻網

【科普/字幕】 Youtube轉載 何為「生」何為「死」?

詳情在2:50處


細胞水平的起死回生是可行的,不用病毒都可以,但不是視頻里講的那樣

看到 @張浩千 轉了這個問題,我得跳出來實名反對一下。

高票@Mr-HH 答主用來充門面的Are Viruses Alive? 通篇就連個藍藻的「藍」(cyan)和死細胞的「死」(dead)都沒提到,更不要提什麼「還魂術」,不知道是記錯了,還是壓根就沒看過原文。

對原始文獻Marine ecosystems: Bacterial photosynthesis genes in a virus ,「What is Life」視頻製作人和高票看來是沒養過藍藻,有明顯的誤讀。

一句話總結整個「謠言」所依託的科學研究實際上講了個什麼事情:

藍藻光合作用需要的蛋白質會被強光破壞,噬藻體會督促藍藻合成新的蛋白質修復光合作用系統。

這可不是起死回生的過程!

首先藍藻還沒死呢!

如果藍藻對於D1蛋白來不及更新周轉,那光合反應也就無法進行了,這就意味著藍藻細胞也就無法進行隨後其它的細胞代謝,後果只有一個——死亡

「What is Life」的視頻作者可能也持有相似的觀點。認為光合作用的系統壞掉了,所以藍藻最後就得死,甚至已經死了。NAIVE!按這個推理,我們的盆栽一到晚上就會通通去死嗎?

事實上,藍藻,其他光合藻類,以及高等植物,都具有異養的潛力——也就是靠吃活著,而不是光合作用自給自足。

環境中有時候會存在合適的營養物質供應生長。這些營養物質可能是兩腳獸實驗員提供的,我們一般叫異養培養基(藍藻的異養培養已經有成熟的實驗流程)包括藍藻在內的很多微生物,他們也會將過剩的營養物質分泌到環境中,供給其他細胞甚至其他物種食用,生態學上我們一般稱為public good,可以翻譯為共同財產,簡稱共產——這是靠別人喂

能夠進行光合作用的藍藻把合成的糖分泌到環境中,餵養異養的各種生物(也可以是某種壞掉的藍藻細胞),作為交換異養生物會共享一些代謝產物(比如CO2)。這種系統已經開始應用在一些發酵生產中。credit Danny Ducat

很多微生物都時不時的會有一些細胞真·死亡,這時候其他細胞往往可以吃掉這些死細胞——可以吃別人

如果前兩種情況都不適用,細胞還可以把不太重要的蛋白質和其他物質分解掉,用來提供能量、合成必需物質,這個過程在酵母和人類細胞中稱為自噬,剛獲得諾貝爾獎,在細菌里也有相似的過程——急了連自己也可以吃

就算是沒有別人喂,自己也不夠吃,藍藻也不是就一定坐以待斃了。我們實驗室的很多博士後研究細菌的衰老和死亡過程,嚴格控制下,細菌沒吃沒喝只能吃自己,也能活個幾天。而蛋白質的合成所需的時間,一般在幾十分鐘(參考The Database of Useful Biological Numbers)。沒有道理認為短缺一兩個關鍵的蛋白,這麼長時間也補不回來,會導致藍藻原地爆炸立刻死亡。

實際上光合系統2(PSII)的合成、被光破壞、再修復的過程是一直存在的,不管有沒有病毒都一樣。

單獨的蛋白質組分被合成後,經過一系列組裝,形成完整的光系統。過強的光照會破壞光系統中一個叫D1的蛋白。光系統需要部分的去組裝,卸下D1蛋白,裝上新的D1,恢復原有的功能。

病毒沒有讓藍藻起死回生,只是加速了修復過程——系統的修復仍然需要活細胞參與。

修復系統所需要的合成的D1蛋白總量都是一定的,所以系統所需要的能量,不管有沒有病毒的參與,都是一樣的。

這就像是人感冒了,什麼葯都不吃一周能好。吃點感冒藥呢,能緩解一下癥狀,感冒期間不那麼難受了,心情好了呢自愈的也許會快一點,但除此之外並沒有什麼卵用。

病毒在這裡發揮了什麼作用呢,就只有一條,告訴藍藻,「你還得多合成D1」,然而所有的蛋白質合成以及能量的供應,這一系列苦力活,還是藍藻自己的系統完成的。蛋白質合成是個高度耗能的過程,如果藍藻已經掛掉了,這一系列過程都不可能發生。

在沒有損傷的情況下,病毒的這種命令,會讓藍藻花費額外的能量合成D1,顯然是有害的。就像如果沒病天天吃感冒藥,也會吃出肝腎損傷。

(將)死的細胞,的確是可以起死回生的

應該明確一下對於細胞而言,什麼是死亡。

即使對細胞,死亡也不是一瞬間的事情,而是有一個過程。所以一般我們有很多不同的時間節點用來判定,比如細胞是不是還能夠進行細胞呼吸啊,細胞是不是還能產生能量物質ATP呀。最通用的辦法,是看細胞是不是還是一個完整的細胞——細胞膜是不是透了,也即失去了選擇透過性。

正常的細胞都有一層細胞膜,把細胞內的物質和細胞外的環境分隔開。這層膜是具有選擇透過性的,意味著一些物質可以通過細胞膜進入細胞,而另一些則會被拒之門外。如果細胞死亡,這層膜上就會出現缺口和孔洞,從而任何物質都可以自由的進出。

對正常的細胞膜而言,脂溶性分子、一些特殊的分子和離子(比如說糖,鎂離子)可以穿過,而大多數的水溶性的分子不能穿過。

實驗上,我們通常使用不能進入活細胞的熒光染料進行染色,這樣所有的死細胞,因為失去選擇透過性,都會吸收熒光染料而顯色。

活細胞有著完整的細胞膜,死細胞則和外界完全通透。化學小分子如DRQ7,PI,7-AAD,不能進入活細胞,卻可以進入死細胞,並結合殘存的DNA,產生強熒光信號。credit BioLegend

使用這個判定方式,是因為一般認為,死亡過程邏輯上是有一個順序的,大多數時間節點會在細胞膜失去選擇透過性之前就已經發生了。細胞喪失邊界時,細胞的大多數生理過程就應該失效了。

但是由於很多蛋白質還存在哪裡,物質基礎還有,其實理論上都可以搶救一下。

細胞為什麼死了呢?一個簡化的解釋是這樣的。細胞是一個極其穩定且複雜的系統,當其中的一些關鍵的物質、反應喪失之後,細胞往往還能繼續活下去,也有可能修復原有的錯誤。然而不可避免的,在一些細胞中錯誤會積累,直到整個系統失去功能。

比如下面一個網路。如果只有一個節點壞掉了,整個系統還是聯通在一起的,但是紅色圈的三個節點如果都壞掉了,那麼整個系統就直接崩盤了。

這時候你可能會想,只要把那三個節點再補回去是不是就可以了?是的!(至少對簡單的情況是)

回到我們開頭藍藻的這個例子,如果藍藻細胞不僅是D1蛋白壞掉了,而是機緣巧合D1基因也壞掉了,無法合成新的D1蛋白,不能再進行光合作用(只能異養的突變細胞)。然後這個細胞而且又機緣巧合來到了一個沒有食物的環境。那麼他就會陷入飢餓,直至奄奄一息,直至徹底死亡。

這時候如果有一個病毒,剛吃掉一個新鮮的正常藍藻細胞跑過來,攜帶著正常的D1基因,可能還裹挾夾帶了一點能量物質,就可以抬一手,讓原來的藍藻細胞起死回生。

其實這基本上也就是基因治療的思路——給缺少正常基因的細胞補充有功能的基因,在其他物質基礎充分的條件下,細胞就會恢復正常。

credit YourGenome

遵循相同的邏輯,其實還可以更簡單

一個死細胞也可以讓另一個死細胞起死回生

如果細胞缺少應對某種特殊環境(比如說抗生素)的基因(抗性基因),那麼在抗生素殺菌的時候,他們就會變得更脆弱,細胞膜千瘡百孔據說更容易透過很大的分子。這時候,如果他們偶然地接受到一段編碼了抗性基因的DNA——往往是來自其他物種的死細胞殘骸——那麼他們就有可能利用自身殘存的系統,整合這段DNA到自己的基因組上,從而獲得抗性,起死回生。

這個過程,屬於水平基因轉移(horizontal gene transfer)。這也是超級細菌產生的可能方式之一。

對於更一般的情景——缺的不是基因,就是某種蛋白質甚至小分子。一個死細胞也是可能救活另一個死細胞。

由於微生物都很小,所以他們分裂繁殖的時候,隨機性影響很大,經常會出現某些必需物質用著用著就不見了。而在細胞的很多生理過程中,必需物質A的再生,需要必需物質A的存在,於是乎,一旦A用盡了,就在也不可能再生。這下細胞就只好GO DIE!

細胞的能量貨幣ATP就是這樣的一種物質。比如細胞可以分解葡萄糖到更小分子從而獲得ATP。這個過程需要先「投資」兩個ATP(下圖第1、3步),如果ATP的濃度過低,那麼整個反應就無法進行,細胞就會活活餓死。人還活著,錢沒了……

credit Shmoop

我們不妨想像一個細胞因為沒有紅球球掛掉了。如果這時候,在它附近,有另一個細胞,因為其他原因(藍球球)也掛掉了,細胞膜破損,紅球球都往外擴散。那麼失去紅球球的這個細胞,就有可能重新獲得紅球球,從而恢復整個系統的活性,從而起死回生。

我自己在實驗數據中也看到過這種神奇的現象。一個細胞本來已經被熒光染料標記,說明膜已經破損了,結果當它周圍的一些細胞也死掉之後,它又神奇的活了過來(熒光逐漸消失)。因為我們的環境裡面只有水和鹽,所有的細胞都有完全相同的DNA,所以唯一的解釋,就是它吃掉了周圍死細胞泄露到環境中的物質,又恢復了活性。不過這種情況實屬罕見,要在很大的樣本(1000個細胞以上)中才能發現足夠多的例子。

以上。

兩個相關答案:

熵增定律如何系統說明生物學上的永生無法實現?

高等動物的衰老能否逆轉?

另,歡迎各位來探討有關細胞損傷、衰老等方面的相關問題。從上世紀本實驗室發現SOS response至今我們已在相關問題上研究了40年,有大量的理論和實驗經驗。本人目前在合成生物學領域的課題也有所相關,正在招本科或碩士student intern,歡迎來電~


是有這個個例的。

正如題主描述的這個視頻里提到的:

還有些病毒能侵入已死的細胞,將它們重新激活當作自己的宿主,這樣就把水攪得更渾了。

(There"re even viruses invade dead cells and reanimate them so they can be a host to them, which blurs the line even more.)

視頻在此,約2:50左右處。

視頻封面【Youtube科普】何為生命?何為死亡?iqiyi.com視頻

視頻中舉例的是藍藻(也稱藍細菌,Cyanobacteria),動畫中表達的意思是:一群藍藻病毒(CYANOVIRUS)侵染了一個死亡的藍藻單細胞(DEAD CYANOBACTERIA)後,它重新獲得了活力,也即復活了。

▲視頻中的藍藻病毒(CYANOVIRUS)「還魂術」(自上文鏈接視頻)

這個視頻中所謂「再賦予細胞生命」的提法,據我了解,應該是引自2004年12月《科學美國人》(SCIENTIFIC AMERICAN)中《Are Viruses Alive?》一文(參考文獻 [1]),該文的作者LUIS P. VILLARREAL是美國加州大學病毒研究中心的主任。

文章中以拓展知識的形式,提到了藍藻噬藻體(Cyanophages,也即一開頭視頻中說的Cyanovirus,不熟悉的同學可以類比於噬菌體)的神奇「還魂術」。

▲一種藍藻噬藻體的電鏡圖(Wikipedia)

在講正文之前,我們先來簡單了解一下藍藻。

藍藻雖然叫做「藻」,但其實是一種跟細菌一樣的原核生物,也就是說除了核糖體之外,它沒有任何細胞器(包括葉綠體)和細胞核的存在。它含有葉綠素,可以在細胞中特化摺疊的片層中進行光合作用。藍藻在地球上已經存在了約35億年,因此可以說是地球上最早進行光合作用放氧的生物。

▲藍藻的結構(譯自Wikipedia)

▲顯微鏡下的Cylindrospermum(一種藍藻)(Wikipedia)

藍藻雖然是原核生物,但是有一點卻與高等植物類似,那就是它的光合作用系統。其他的光合細菌都只有一個光系統——光系統I(PSI),而藍藻擁有完整的光系統(PSI和PSII),所以可以像高等植物那樣進行光合放氧(下面兩個圖覺得太難懂沒關係,可以直接跳過不看的)

▲光系統II(PSII)的示意簡圖1 光能量通過周圍淡綠色的天線色素分子,傳遞到中間黃色的反應中心(Reaction center)(Photon Absorption for Photosynthesis)

▲光系統I(右)與光系統II(左)的關係(Difference between Photosystem I and Photosystem II (PSI vs PSII))

在光系統II中,吸收的光能將通過天線色素傳遞給PSII的反應中心,其中的D1蛋白和D2蛋白是最主要的組分,它們分別由葉綠體基因psbApsbD編碼。然而這個D1蛋白很容易遭到光破壞,如果藍藻對於D1蛋白來不及更新周轉,那光合反應也就無法進行了,這就意味著藍藻細胞也就無法進行隨後其它的細胞代謝,藍藻細胞便失去了活性

(這段話的意思是:D1蛋白對光合作用很重要,被破壞了,藍藻也活不了了)

▲光系統II(PSII)的示意簡圖2 光能量通過周圍淡綠色的天線色素分子,傳遞到中間黃色的反應中心(Reaction center)(Photon Absorption for Photosynthesis)

然而在噬藻體中,同樣也含有多種包括psbA在內的光合基因,而且高度保守,而且更神奇的是,噬藻體版本的psbA基因編碼蛋白,比藍藻自己的D1蛋白能耐光破壞

這就意味著如果噬藻體感染了一個因此而新「死亡」的藍藻後(當然,這個藍藻可能並非真正意義上的死亡,更多的可能只是失去了活力),它能利用這個「死亡藍藻」體內的剩餘物質系統,合成出自己版本的D1蛋白以重新啟動並更新藍藻光合系統的功能

於是,藍藻重新獲得了活力「復活了」

所以作者也說,這就有點類似於給藍藻救命的「基因療法」(Think of it as lifesaving gene therapy for a cell)。

當然,必須承認的是除了《科學美國人》上LUIS P. VILLARREAL的那篇文之外,並沒有任何一篇學術論文再提到這個所謂的「還魂術」,它們更多地也只是提到藍藻的D1蛋白容易受到光破壞,噬藻體中含有可以編碼這個蛋白的基因並有可能在藍藻光合作用中起到功能作用。所以究竟這是否真的能做到對藍藻細胞的「起死回生」,也確實需要進行更深入的研究。

但起碼,這確實提示了噬藻體與藍藻之間的水平基因轉移現象是存在的,也促進了它們二者的共同進化。相信隨著噬藻體的研究越來越多,終有一天,更深入的研究一定會陸續出來,也能為我們生態環境的治理提供理論依據。

————————————————

另外,鑒於題主提問的是這個視頻,而這個視頻明顯就是引自那篇《科學美國人》的文章,所以我覺得也十分有必要大家先把那篇文章看過一遍先。

十分高興這個沉寂了一年多的好問題終於被重新討論起來。

以上

————————————————

歡迎留言討論~

參考文獻

[1] Villarreal L P. Are viruses alive?[J]. Sci Am,2004,291(6):100-105.

[2] Lindell D, Jaffe J D, Johnson Z I, et al. Photosynthesis genes in marine viruses yield proteins during host infection[J]. Nature,2005,438(7064):86-89.

擴展閱讀

Mr-HH:高等動物的衰老能否逆轉?

Mr-HH:昆蟲和寄生蟲會得癌症嗎?昆蟲得癌症如何治療?

Mr-HH:有哪些名字比較有意思/有故事的細菌?

Mr-HH:病毒是怎麼破壞細胞的?

歡迎關注

知乎專欄 Mr-HH的生物學科普 及 Mr-HH


一個科普性質的視頻,而且視頻里就這麼提了一句話,(圖片里的cyanobacteria是藍藻細菌,所以這和藍藻有關?),但是並沒有詳情好么?

恕我孤陋寡聞沒有聽說過這樣的情況,所以無從回答。

不過,還是希望題主或者其他知友能夠提供一些更加具體的內容,最好是能有一些相關的科研文獻,讓我也漲漲見識。

對於這樣一個敘述,我還是挺感興趣的。


這要看怎麼定義死細胞了。

細胞的死亡過程大致可以分為兩種,一種是細胞凋亡,一種是細胞壞死。凋亡是細胞主動程序,涉及一系列的基因激活表達和調控。而細胞壞死是被動程序,細胞受到外界因素死亡。病毒入侵是細胞膜還完好無損的情況下,如果說細胞膜都已經破裂,內容物溢出,這樣的細胞很快就會被巨噬細胞處理掉。所以題主的死細胞定義應該是指尚未細胞膜破裂,內容物溢出,但細胞已經進入死亡過程的細胞。如果是這樣的話,沒準病毒可以終止細胞凋亡過程,或者誘發細胞癌變來適應惡劣的環境,使得細胞存活下來。


多數病毒只有蛋白外殼和核算遺傳物質,所以必須依賴宿主細胞才能存活,一旦宿主細胞死亡,那病毒也難以倖免。病毒厲害的地方就是可以逆轉錄自身遺傳物質一般是單鏈RNA,使之成為真核細胞內遺傳物質的形式,雙鏈DNA,然後運用宿主細胞內的蛋白表達合成系統,合成自身所需的物質。但是說病毒能使死細胞復活,我還沒聽說過,也可能是什麼新發現。跟進一下最新文獻。


非分子生物學理解:

有某種可能,通過搏鬥,戰勝然後接受原細胞的某些DNA信息,根據需要保留、選擇顯性或隱性表達。取代原本此細胞在宿主系統中的地位,參與和其它細胞的交流。

---

但不能說賦予此細胞生命,它死了,復活的它不是原來的它。

---

這種現象可以看成生物和外界的DNA信息交流,可以解釋生物體間宏觀和微觀層面的寄生、共生、耐受適應、被動或主動進化等。


我覺得應該不可能 只能是侵入細胞讓它合成病毒蛋白 最多活細胞不會死亡 死細胞病毒應該不會侵入


個人意見,如果是凋亡的話可能,壞死幾乎不可能


推薦閱讀:

為什麼顯微鏡看到的都是平面的東西,而不是立體的?
細胞核屬於細胞器嗎?
紅細胞里到底有什麼?
如何看待中國科學院探索出埃博拉病毒進入細胞方式的研究?
細胞是不是一種細菌?

TAG:調查類問題 | 生命起源 | 細胞 | 生物病毒 | 細胞生物學 |