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肠道细菌的酶,竟然可以把A型血变成O型

肠道细菌的酶,竟然可以把A型血变成O型

Photo by Cassi Josh on Unsplash,本文来自公众号:学术经纬(ID:Global_Academia)


如今众所周知,人有四种基本血型:A型,B型,O型,AB型。输血时,如果血型不匹配,非但不能救命,还会因为免疫反应导致重病,甚至致命。这四种血型中,O型血在情况紧急时可以输给任何血型(Rh型相同)的病人,因此常被称为万能血、通用血。


加拿大英属哥伦比亚大学(UBC)的科学家们利用人体粪便,在肠道细菌中找到一组酶,只需极低的浓度,就可以把A型血变成更通用的O型血,有望更大限度地满足输血需求,以拯救更多的生命。这项工作近日发表于《自然》子刊Nature Microbiology



一百多年前揭示血型秘密


1900年,奥地利生理学家Karl Landsteiner最先发现了血型,并因此在1930年荣获诺贝尔生理学或医学奖。根据红细胞和血清混合后是否会发生凝集,他将血液分为A、B、C(后来更名为O)型。在此之前,由于不了解血型的秘密,数百年里的输血尝试曾造成许多悲剧。


后来免疫学的进展使我们逐渐了解,红细胞凝集其实是红细胞表面抗原和血清中的抗体发生反应,而ABO血型的差异就在于红细胞表面的抗原。


ABO抗原有基本相同的糖链结构,只是末端有区别。理论上,把A型抗原和B型抗原的末端糖基去除,就可以把A型血和B型血转变成O型血。


A型、O型和B型红细胞的抗原有类似的基本结构,但末端糖基不同(图片来源:参考资料[1])


Stephen Withers教授是一位生物化学家,他对酶特别感兴趣。在他看来,可以利用酶这种强大的催化剂,达到人工转换血型的目的。


但要找到合适的酶可不容易。事实上,和Withers教授有类似想法的科学家不少,相关尝试已经进行了数十年。在1982年,一组研究人员从生的咖啡豆中分离出一种酶,可以把B型血转换为O型血。只是这种咖啡酶的使用条件很苛刻,要特别的实验装置处理血液,而且反应效率不高,需要的用量很大,换句话说,不够实用。


自然界哪里还能找到更好用的酶?


蓦然回首,那酶就在……九转回肠处?


寻觅多年,问题的答案让人惊喜:来自人的肠道细菌。


进入21世纪,人体微生物组研究方兴未艾,丰富的肠道细菌吸引了Withers教授的目光。


本研究的通讯作者Stephen Withers教授(图片来源:UBC官网)


人体肠道内壁有保护性的黏蛋白,是一类糖基化的蛋白。有些糖蛋白表面的多糖结构与红细胞的A、B抗原类似。而居住于肠道内的许多细菌从肠道内壁采集这些糖来获得能量,它们必须产生一些酶来切断糖基。


“发现这一点后,我们很兴奋,因为这意味着可以利用微生物来找到新的(血型转换工具)。”这项研究的第一作者Peter Rahfeld博士说,“它们已经在肠道内准备就绪,等着我们去发现。”


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肠道菌群中有许多成员,有不少目前还没法在实验室培养条件下生长。为了充分挖掘细菌酶的潜力,研究团队采用了功能性宏基因组学技术。这种方法不需要对微生物进行培养,只需要对整个微生物群——比如粪便标本的DNA进行分析。


从一个AB血型的人的粪便中,研究人员分离出细菌的遗传物质,再将分拆的DNA片段放入大肠杆菌中,建立了一个文库。然后,使用模拟A、B抗原的荧光底物,筛选肠道细菌的酶。


最终,他们鉴定出来自厌氧菌Flavonifractor plautii的两种酶,组合起来使用,可以切割A抗原。结合X射线结构学分析结果,研究人员找出了酶的活性位点和作用机制。


在全血中的测试结果显示了这两种酶的实际效果。当研究人员在装有A型血的培养皿中加入这两种酶,只需要很少的量,就可以完全把红细胞的A抗原转换成O型血的抗原,且效率比以前找到的其他酶要高30倍。


现在,研究团队在更大规模地测试这种酶的有效性以及安全性。接下来,如果可以证明这项技术是大规模可行的,毫无疑问会为输血带来巨大帮助,让血库可以供应更多的通用血,有助于及时拯救更多人的生命。


A型血在白种人中比例较高(占40%左右),这是研究团队把转换血型的研究重点放在A型血的一个原因(图片来源:pixabay)


除了应用于红细胞转化,研究团队还计划测试这些酶和其他相关酶是不是还能从其他重要细胞表面和组织去除抗原,从而在器官移植和干细胞移植中帮助扩大“匹配度”。


随着近些年对肠道菌群越来越深入的挖掘,毫不意外我们还将发现更多。正如Rahfeld博士所说,“看到人的肠道微生物可以提供帮助,我觉得非常有意思,我很想知道将来在人体微生物组中还会发现些什么。”


本文来自公众号:学术经纬(ID:Global_Academia)


参考资料

[1] Peter Rahfeld et al., (2019) An enzymatic pathway in the human gut microbiome that converts A to universal O type blood. Nature Microbiology. DOI: 10.1038/s41564-019-0469-7.

[2] 你揭晓了输血安全的奥秘,世人没有忘记你的功勋。Retrieved Jun 12, 2019, https://songshuhui.net/archives/101413

[3] J Goldstein et al., (1982) Group B erythrocytes enzymatically converted to group O survive normally in A, B, and O individuals. Science. DOI: 10.1126/science.6274021

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