深海海绵动物或许能解决抗生素耐药难题

在深海海绵动物中发现抗生素成分的科学家警告称,这项重大科学突破可能会因深海矿产开发而消失。

墨西哥湾西北部深海的玻璃海绵(Euplectella aspergillum )。图片来源:NOAA

马特·厄普顿教授是一位医疗微生物学家,而凯瑞·豪威尔博士则是一位深海海洋生态学家。他们通过在普利茅斯大学的研究发现,生活在一种深海海绵中的细菌具有抗菌性,这是解决超级耐药菌问题的一项潜在突破。但他们警告称,海底矿产开采可能会让这种潜力不复存在。 

杰西卡·阿尔德雷德(下文简称):您都在深海发现了什么?又是如何发现的呢?

马特·厄普顿(下文简称“厄”):凯瑞从深海底带回了一些海绵,我们从中培育出了细菌,并在实验室内进行了检测,看它们能否杀死其他细菌。

凯瑞·豪威尔(下文简称“豪”):海绵是几种最具潜在医用价值的物质之一。报道显示,2001年到2010年间科研人员分别从海绵中分离出了145种抗菌化合物。

但是,目前几乎所有研究都只针对浅水海绵。在普利茅斯,我们开始对一些不同种类的深海海绵物种进行研究。其中,最有希望获得成功的是一种偕老同穴属海绵。这种海绵主要出现在东北大西洋海平面以下700到1700米的深海水域中。这一带是世界上被研究最多的深海地区之一,但是我们对于这些深海物种的了解还仅仅停留在其基本身份信息上。

一株偕老同穴属玻璃海绵(图片来源:普利茅斯大学、爱尔兰海洋研究所及Eurofleets 2项目组)
一株偕老同穴属玻璃海绵。图片来源:英国普利茅斯大学、爱尔兰海洋研究所及Eurofleets 2项目组

厄:如今,我们已经开始结合自己的专业知识对几种深海海绵体中的未知微生物群落进行研究。在研究过程中,我们利用先进的DNA测序技术和新颖的策略在海绵体样本中培养出尽可能多的细菌。目前,我们已经能够从中分离出一种新型细菌,它产生的抗生素化合物可以消灭耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和大肠杆菌(E coli)等耐药病原体。

阿:耐药性(AMR)是全球人类健康面临的最大威胁之一。您的发现会如何帮助解决这个问题?

马特·厄普顿教授
马特·厄普顿教授

厄:耐药性带来的风险要求我们找到新的抗生素,对抗由耐药细菌引发的耐药性感染。通过探寻新的自然环境,我们也许能够找到与现有治疗感染所用抗生素作用方式不同的新的抗生素品种。

在对深海海绵进行研究时我们发现,已经有多项研究证实,单个海绵物种会拥有相对特定的细菌种群。在这阴暗的深海之中到底有多少种深海海绵,我们还不得而知。也许我们会在这里发现很多全新的海绵物种,每一种都带有一种新的细菌品种。利用这些新菌种很可能会生产出抗生素和其他药物成分,开辟新的科研方向。我们只仔细研究了两、三种不同海绵物种所携带的微生物群落,就已经发现了一些潜在的新抗生素成分。如果将这种研究应用到其他海绵物种上,其中的科研潜力可想而知。

我们也是刚刚开始研究抗生素化合物。还有很多其它药用相关的化合物有待我们研究。海绵及其携带的微生物种群能够产生抗癌化合物、镇痛剂、免疫调节剂和其他许多生物活性物质。

凯瑞·豪威尔博士
凯瑞·豪威尔博士

豪:随着深海采矿的进行,我们真的很有可能会将一些我们还没来得及发现的具有重要医学潜力的物种破坏掉,还有可能给深海提供的其他生态系统服务造成影响,比如说气候调节等。目前我们对深海的认知还不足,除了一些显而易见的负面影响外,很难预测还会不会产生其他的潜在后果。这让我们很难针对这个新行业的运作和管理做出明智的决策。 

阿:你们的这项发现到底有多重要?

厄:我们通过观察从海绵中培养出来的细菌的DNA发现,这些细菌不同于此前培育出的任何细菌。有的与此前见过的细菌密切相关,有的则呈现出一种全新的特质,很可能是新的物种。我们已经从这些细菌中提纯了一些抗生素化合物,而这些化合物对现有科学来说也是全新的。

想要确保新的抗生素对目前具有强耐药性的超级细菌有效的一种关键方式是使用全新的抗生素品种。过去30年,临床治疗中并没有使用过新的抗生素。而我们发现的抗生素化合物可能属于新的类别,这让它们在对抗耐药细菌方面领先一步。这点至关重要。

阿:国际海底管理局今年7月举行会议,继续就海底矿产最终开发的相关法规进行谈判。采矿会威胁这些海绵物种吗?

豪:深海采矿是一个正在发展之中的新产业。目前公认的3种深海采矿资源均与不同的深海栖息地环境有关。多金属结核出现在深海平原地区,多金属硫化物出现在深海热泉附近,而铁锰结核则出现在海底山脉和海脊附近。

 

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这些资源是电子与可再生能源领域所需的重要金属、稀土元素和其他矿物元素的潜在来源。目前,我们即将开始对这些深海资源进行开采。但未来,我们有所得,就可能会有所失。

我们知道,通过提供涉及生态系统的各种服务,比如气候调节、粮食安全等,深海环境健康已经和人类的命运紧密地联系在了一起。通过这项研究,我们现在了解到,深海物种还有可能是解决抗生素耐药问题的关键。但我们不知道的是,采矿到底会对深海生态系统产生什么影响。

位于海底1330米的黄色毕加索海绵。图片来源:NOAA

采矿本质上就是一种破坏行为,会给物种及其栖息地带来破坏。我们对深海物种和其栖息地的了解还很少。就拿最近获准开采多金属结核矿的太平洋中部的克拉里昂-克利伯顿大断裂来说,研究显示,该地区采集的生物样本中,90%都是新物种。

阿:越来越多的科学家呼吁,在人们对深海物种以及深海采矿的潜在危害有更多的了解之前,应该暂停深海采矿。您对未来的期待是什么

豪:我们的深海生态知识已经落后于工业化发展的脚步了。因此,需要全球协同合作,加大科研投入,让我们能够预测采矿的潜在影响,以及采矿、气候变化、渔业捕捞等累积压力因素产生的影响。

只有这样,我们才能按照联合国可持续发展目标第14项要求,有效管理采矿业和整个海洋生态环境。《海洋科学可持续发展十年战略(2021-2030)》让我们有十年的时间为之努力。

对该区域(不属于任何国家的国际水域)为期十年的禁采,再加上有针对性的国际深海研究项目,也许是一种可行的预防性措施。 

阿:现在正在谈判的公海条约还涉及到海洋基因资源的归属。那么这份条约会对现状有所帮助吗?

豪:条约将为国家管辖范围之外海域的生物多样性环境的可持续管理提供相关法律机制和程序,从而协调管理行动(比如设定海洋保护区)。目前,人类在上述领域的行动受到众多不同组织的管理,却没有一个协调一致的管理机制。

比如会出现这样一种状况。为保护脆弱的海洋生态系统,一家区域性渔业管理组织可能会禁止在某个海域开展拖网捕捞,可然后这片海域却被授权进行海底矿产开采。这片海域可能拥有潜力巨大的医用物种,或对生态系统服务非常重要的物种。我们需要采用整体措施,但是首先要建立相关的法律流程和机制,而这就是我希望条约能完成的任务。这还意味着,所有国家都有可能从这些潜在发现中受益,而不仅仅是那些拥有技术,能够对深海栖息地进行高难度勘探的发达国家。

 

翻译:Estelle