神奇的小顆粒：胞外囊泡
有人在的地方就有江湖，這也同樣適用於微生物。個體微生物無法掀起波瀾，然而當它們在一起的時候，團隊作戰能力令人刮目相看。微生物之間通過複雜的互作作用形成群體，協同發揮功能。真實環境中，微生物細胞之間如何「對話」呢，他們有什麼語言呢？除了明星分子-群體感應分子的化學通訊作用，胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）逐漸成為細胞眾多「外交信使」中的黑馬，成為環境微生物學研究的前沿。EVs是生物體分泌到胞外的納米尺寸的膜泡。磷脂雙分子層膜結構賦予了EVs快遞行使功能的天賦，它像日常生活中的快遞包裹一樣能穩定、特異、高效地攜帶、保護和傳遞貨物。這些貨物包括蛋白質、脂質、核酸等。這些「幽靈」囊泡最初在原核生物中發現，後來，在真核生物中也發現了他們的蹤跡。橫跨動物、植物、微生物三界，這「幽靈」可真夠狂的。
圖1 來源於革蘭氏陰性菌和陽性菌的胞外囊泡。OMVs: outer- membrane vesicles 外膜囊泡；OIMVs: outer- inner membrane vesicles 內外膜囊泡；EOMVs: explosive outer- membrane vesicles 爆炸性外膜囊泡；CMV: cytoplasmic membrane vesicles 細胞質膜囊泡。（文獻：Toyofuku et al. Nature Reviews Microbiology, 2019）
胞外囊泡遍布我們身邊
然而，在真實環境介質中這些「信使」EVs存在狀況如何呢？針對這一挑戰性的科學問題，中國科學院城市環境研究所朱永官院士團隊黃乾生課題組開展了深入研究，他們分別在Environmental Science & Technology和國際細胞外囊泡協會會刊（Journal of Extracellular Vesicles）上發表了論文，揭開了環境胞外囊泡的冰山一角。
團隊首先綜合採用切向流過濾技術、密度梯度離心、透射電鏡和納米流式細胞術等技術手段，建立了環境樣本中EVs分離、鑒定和表徵平台。在這一自主創新平台上，他們進而以典型微生物生境，包括人類糞便、廢水、城市土壤和室內灰塵為對象，系統性地揭示了EVs在環境中廣泛存在。這些EVs具有典型的膜囊泡結構，平均粒徑約為70 nm，只有頭髮絲直徑的千分之一。EVs數量巨大，每克室內灰塵中數量甚至高達1011個顆粒，比全球人口總和還多一個數量級。EVs丰度與其來源樣品中細菌丰度具有顯著的相關性。
圖2 環境介質中的胞外囊泡
該團隊進而基於已有的環境抗性基因資料庫數據，結合宏基因組測序技術追蹤環境樣品EVs的「發貨人」，發現EVs主要來自於細菌，部分來自於真核生物和古菌。部分微生物雖然在樣品中的相對丰度低，卻可以產生遠高於其自身相對丰度的EVs，從而可能發揮顯著的作用。室內灰塵中相對高丰度的假單胞菌屬EVs尤其值得關注。
圖3. 水、土、灰塵、人類糞便介質中廣泛存在微生物源細胞外囊泡
胞外囊泡百寶箱初探
環境樣品EVs包裹中攜帶了來自各種微生物的DNA。通過數據對比，團隊發現糖苷水解酶家族GH25基因在EVs中顯著富集，研究已經發現該家族可在微生物群體之間移動，作為「公共資源」，賦予更多微生物利用糖源的能力。DNA貨物中還包括定位於可移動遺傳元件（MGEs）的細菌耐葯基因（ARGs）等功能基因，可能是環境耐葯基因傳播的一種方式，而這種方式過去很少被認知。
圖4 室內灰塵中的細胞外囊泡攜帶耐葯基因
讀懂微生物的胞外囊泡「語言」，保障人群健康
上述研究讓我們認識到了「外交信使」EVs在真實環境的強大覆蓋範圍及其包裹中的多種功能基因「外交物資」。然而這僅是EVs包裹貨物的一小部分，更多貨物及其在微生物群體的功能中值得深入探索，才能更好地揭示微生物之間、微生物與環境、宿主之間的複雜互作網路，從而為發展病原體防控策略提供理論認知和技術開發支撐。
圖5 胞外囊泡介導環境微生物與人體互作的概念圖
研究獲得國家自然科學基金委、國家基礎學科公共科學數據中心、中國科學院網路安全和信息化專項應用示範項目和福建省科學技術廳的項目資助。
來源：中國科學院城市環境研究所
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