【任圃講科普】什麼是仙人掌桿菌？外毒素都不穩定嗎？多肽都是核糖體製造的嗎？

大家好，我是艦長蔡任圃 這一陣子有個食安的新聞 就是有一些進口的奶粉，就是被發現 可能有一些細菌在裡面..污染，那這個菌 在新聞中有介紹，叫做仙人掌桿菌 那我們今天這一集來跟大家介紹 仙人掌桿菌 是什麼？它跟仙人掌有關嗎？ 其實是沒有的，那這個仙人掌桿菌 它有一些很特殊的性質，比如說 它所產生的毒素不是只有一種 那它其中一種毒素，一般我們說革蘭氏 陽性菌會分泌外毒素，外毒素 一般是蛋白質 所以這些毒素比較怕受熱而變性 所以食物煮熟 可能就會處理掉、分解掉這些毒素 讓這些毒素沒有活性，但這個仙人掌毒素 其中有一群毒素是不怕熱的 所以奇怪了，外毒素 竟然還不怕熱，就是為什麼？那 這些蛋白質或是多肽，我們在生物課程上 會教，它通常都是由核糖體進行轉譯 而形成的 那它其中有一型的毒素，竟然不是由 核糖體所產生的多肽，竟然有些 多肽鏈不是是由核糖體所產生的 這個很特別 所以我們今天也順便介紹，這個仙人掌 桿菌毒素，其中有一群毒素 它竟然不是由核糖體的合成路徑 而用另外 一個合成路徑，來形成多肽的一個形式 那我們來介紹什麼是仙人掌桿菌？ 仙人掌桿菌也叫做蠟樣芽孢桿菌 那它的學名是Bacillus cereus 因為它的這個種小名，cereus有點像這個 Serious，所以我這邊打一個…你是認真的嗎 是嚴肅的這樣子確定嗎？Serious？ 那這個蠟樣芽孢桿菌，它是屬於芽胞桿菌屬 它是一種革蘭氏陽性菌 那這種菌，在環境中 不論是有氧還是缺氧 它都可以生存，是屬於一種比較 兼性厭氧菌的細菌，在沒有氧的情況 之下，能夠…還是 可以代謝的，所以它的環境 分布很廣泛 在土壤中，甚至有點缺氧的環境 它都可以生活得很好，那它叫做芽胞 桿菌屬，所以它在遇到逆境的時候 它是可以在身體形成芽孢的 芽孢也叫內生孢子，內生孢子形成之後 就可以幫助這個細菌，度過很熱、或酸的 環境，所以這個仙人掌桿菌，這些細菌 ….芽孢桿菌，它可以抗熱、 抗酸，那為什麼叫cereus呢？這個字 在拉丁文的意思是蠟狀的意思 所以我們才叫它蠟狀的芽孢桿菌 那我們看左下角這個菌落的照片 它的菌落 的樣子，看起來有點像蠟的感覺 所以就叫它蠟狀的一個芽胞桿菌 所以它的學名是這麼來的 那我們中文叫它仙人掌桿菌 是因為在光學顯微鏡下，看到它 它常常會有多個鞭毛，所以有點像是 仙人掌上面佈滿了很多刺，那種感覺 所以它的中文，仙人掌桿菌，是看 在顯微鏡下它有多個鞭毛 那如果你說它的種小名，在原文上 為什麼叫做蠟狀？那是因為它的這個 菌落，外觀上有點像蠟的樣子 蠟的感覺，好，那這個菌，如果它在食物中 可能會造成一些危害的 所以這個菌對人體最大的影響 是造成食物中毒，依據研究 這個攝入的量要多少呢？ 就是如果以一公克的食物，含有十的5次方 到十的7次方的CFU的話，它所 產生的毒素就可能會造成食物中毒 那所謂的這個CFU是什麼呢？ 是我把這個菌，當然透過稀釋 然後抹在培養基上，長出來的菌落 由菌落的數量，反推這個稀釋的 液體中，有多少隻細菌，所以我們叫CFU 叫做每公克的菌落形成單位 這是一個在計算細菌量的時候 一個很常使用的這個單位 叫CFU，是透過細菌的培養 由菌落的數量反推…這個細菌的數量 所以每公克有十的5次方到十的7次方 的CFU，這樣的單位，所產生的 這個毒素，會造成你的食物中毒 那它可能…本身這個細菌也會直接感染 到人體，比如說透過傷口，或感染 到我們中樞神經，嚴重者會造成血液中 有細菌，叫菌血症，甚至是你的 心臟內膜，叫心內膜，會發炎 那這些嚴重的感染，常常是見於這個 免疫不全的病患 因為一般…有正常免疫能力的人 其實它不太容易入侵的，就是這個 仙人掌桿菌的一個危害，依據它的這個 所產生的毒素，造成食物中毒的症狀 我們把仙人掌桿菌所產生的毒素分為 兩大型 第一類會比較引發是嘔吐的反應 叫嘔吐型的毒素，那這個嘔吐型的毒素 它的反應比較快，就是你吃了 這個含菌的食物，大約半小時 到5個小時內 你可能就會發生嘔吐 所謂的潛伏期，就是，當菌種…病原體進入 到你體內，到你產生病徵的這段 時間差就叫潛伏期，所以這個嘔吐型 是你吃完這個有被汙染的食物 可能半小時到5個小時 你可能就產生嘔吐的樣子 那這個嘔吐型的毒素，主要是以噁心嘔吐 的症狀為主，但偶爾會有腹瀉，但是以 噁心嘔吐為主要的這個…這個症狀，好 那通常你嘔吐之後，大概一小時(X) 24小時…1天左右，就會慢慢緩解 緩解之後就會慢慢好轉 就會…病症就比較沒有那麼嚴重了 那這類嘔吐型的毒素，它是 耐熱的，也就是，你食物即使是煮熟了 你曾經復熱了 都沒有這個消毒的效果 因為這個嘔吐型的這群毒素 它是不怕加熱的，那它主要影響的是 我們食物中的米飯或其它穀物 所以這個嘔吐型的這個病徵，也叫做 炒飯症候群，因為我們在炒飯的時候 常常是用隔夜飯，那隔夜飯…可能隔夜了 所以這個仙人掌桿菌，就開始生長 裡面就含有這種嘔吐型毒素 那你拿來炒飯…又不怕熱 所以吃了之後，就吃完炒飯 有嘔吐的症狀，那就是嘔吐型的，好 那這個嘔吐型的毒素，現在已經知道是 什麼了，它叫這個名字 我們把它翻譯成叫蠟樣芽孢桿菌毒素 就以這個菌的名字，就叫做蠟樣芽孢 桿菌毒素，那它主要是引發仙人掌桿菌 或叫蠟樣芽孢桿菌引發的嘔吐的症候群 那只有在會致吐的這些菌株中有 也就是，我們等一下會介紹 另外一種毒素，是屬於腹瀉型的 那如果今天只有腹瀉型的致病株 它就比較沒有這種毒素，叫 蠟樣芽胞桿菌毒素，那這個毒素 比較特殊的點在於，它不是個蛋白質 因為我們常說，革蘭氏陽性菌所產生的 這個外毒素，常常是蛋白質、多肽類 那這個辣樣芽孢桿菌毒素 它是環狀的多肽，是多肽 那總共大概 有12個胺基酸這樣的樣子，那這 12個胺基酸，它這個結構還蠻穩定的 它是有4個胺基酸先連在一起，這4個 胺基酸是這個，氧代亮胺酸、丙胺酸、 氧代纈胺酸跟纈胺酸，這樣子形成一個結構 然後這個結構呢 總共有3個，然後3個重複，就圍成一圈 就形成三重複的4個胺基酸 所以加起來有12個胺基酸 形成一個環狀結構，好 那這樣子的寡肽 它很特別，它不是核糖體製造來的 它是由另外的途徑，我們等一下會跟 大家介紹，那其中這4個胺基酸，其中有 兩個叫做氧代量胺酸，跟氧代纈胺酸 是什麼呢？其實這個氧代胺基酸 指的是這個胺基酸，不是有胺基跟羧基 其中你把胺基改成雙鍵氧 所以它是沒有胺基的 所以它不叫胺基酸，把胺基酸 的胺，改變成這個雙鍵氧 所以它比較像酮基，所以叫α酮酸 所以氧代胺基酸，其實就是α酮酸 那因為它結構有點像胺基酸 只是把胺基改成這個雙鍵氧 我們把它….叫它做氧代胺基酸 把胺基用氧來取代，這個雙鍵氧 取代變成酮基，所以就是α酮酸的意思，好 那像這樣子的這個毒素 蠟樣芽胞桿菌毒素，它會跟我們血清素 的受體結合，所以會引發這個迷走神經 的興奮，而引發嘔吐的一個反應 那它這個毒素，我剛剛說過 它是一個很簡單的結構 所以它不會因為高熱而變性，它的 三度空間結構不太會改變 所以耐高熱，也耐蛋白質水解 也耐酸，因為它的結構，一般的 蛋白質水解酶不容易分解它 這是蠟樣芽孢桿菌(毒素)，是屬於嘔吐型的 毒素，那我們看一下這個蠟樣芽孢桿菌 毒素，這個嘔吐型毒素，它是個環狀的 十二縮肽，12個胺基酸合成一個一個一個 多肽的樣子，好 那我們來看它的結構 其中我們看這裡有，這邊有，這邊 2、3、4，這樣子的結構 好，那我們可以看到它的結構有這個 這邊開始，到這裡，到這裡，到這裡 這是一個次單位 然後這個次單位總共有3個，1、2、3，再完成 一個環起來的一個多肽，就變成一個環肽舊太，好 那這個蠟樣芽孢桿菌毒素，一般就長這樣 這邊有不同的側鏈，有不同的官能基 那如果你有改變，它有一些變化的 所以在演化上，這樣子的毒素 其實有一些小小的改變 這些官能基可能有些變化 但大體結構就是：4個胺基酸 合成一個12個(胺基酸的)縮肽的樣子 那其中有兩個胺基酸 並不是真的胺基酸，它是氧代胺基酸 因為它的胺基由氧…就是雙鍵氧來取代掉了 那這個東西，我們看到說，這個嘔吐型 的毒素，它並不是由核糖體所產生的 寡肽、多肽的 它主要是由另外一群蛋白質來 形成的，不屬於 核糖體形成的，這點很特別，形成這個 蠟樣芽孢桿菌毒素的這個酶，就叫做Ces 那就是由這個蠟樣芽孢桿菌毒素的名字 然後後面加個合成酶 它的合成過程是什麼呢？ 它其實…這群蛋白質 第一個步驟是，它找到它的受質 然後選擇它之後就活化，所以這些 蛋白質都有一些不同的區域 我們像這個A domain，我們稱為A域 A域其實是跟那個腺嘌呤有關的 這個區域會找到所謂的α酮酸 其實就是氧代胺基酸 它挑的不是真正的胺基酸 而是氧代胺基酸，那我們這邊剛好 把什麼叫做氧代胺基酸解釋一下 α酮酸，什麼叫…α酮酸是帶著這個α酮醯基 這個有酮基，有醯基，醯基就是這個 雙鍵氧，形成的碳在這裡，那另外一個 蛋白質的區域，叫做KR區域，它可以 把這些α酮酸，把它還原，你看這邊 有個reductase，還原的一個部分 它可以利用把這個官能基中的 α酮醯基還原成α羥基醯基，就是把這個 酮基…這個酮基轉變成這個羥基 把它還原成…雙鍵氧變成OH，這是 等一下會介紹的KR這個區域做的事情 好，那我們這個合成酶，它首先 它的區域就可以把…我本來是雙鍵氧的 酮基，轉變成這個羥基，在這邊 它就轉換成這樣 那這個羥基很重要喔，因為等一下會進行 後面的反應，那我們說這個…這個cesA喔 它有A1、B1這兩個次單位，各自 找不同的受質，然後把它…都給它還原 使得它的酮基都變成了羥基 OH基 那其中這邊這個，HIC就是這邊看到的 這個O-Leu，就是氧代亮胺酸 這個HIV這個，其實就是氧代纈胺酸 就我們剛剛講的氧代亮胺酸或氧代纈胺酸 就是指這兩個分子，這是第一步驟 我們把受質找到，這個受質 是氧代胺基酸，也就是α酮酸 然後把它還原，變成一個帶著 羥基的一個官能基，那第二階段是 這些蛋白質的一個複合物，再經由催化 把它形成一個二縮肽，好，這個氧代胺基酸 跟另外一個胺基酸合在一起 氧代胺基酸跟另外一個胺基酸合在一起 那就變成…我們叫DP2a，就形成二縮肽的 樣子，接下來這兩個縮肽再組裝成一個 四縮肽，就是二加二變成四 這個四縮肽是在這個ces的c端末端的 這個我們叫C米字的一個區域 來做酯鍵的形成 這是什麼意思？我們來看圖形 就是我們剛剛的..這個形成二縮肽了 然後在中間這邊，我把它拉過來之後 再形成一個四縮肽 好，其中，這個胺基酸跟這個 氧代胺基酸之間，它們是OH基跟酸 就是羧基，中間形成鍵結 那我們知道酸跟OH，就是醇基 它們形成的鍵結就是酯鍵，所以這個鍵 不是肽鍵，是酯鍵 所以這邊強調說，它就形成一個 酯鍵的形成，所以跟一般多肽來講 它的分子比較不一樣 因為一般的多肽，之間的鍵結都 是肽鍵，那這邊這個12個胺基酸形成 的這個聚合的物質，它有幾個鍵是酯鍵 就是羧基COOH，跟它的羥基OH基形成的 這個酯鍵，那二加二變成四，四在這邊 在這邊看到了，變4個，變4個之後呢，我們 繼續上面的動作，就是二加二再變四 所以兩個四合在一起，就變成兩個四 合在一起了，所以它的下面 這個階段，是把這4個的縮肽，四縮肽 再第2個四縮肽加起來，變成八縮肽 再加上第3個四縮肽，又變成十二縮肽 所以就是變成二加二變成四 然後一個四再加一個四，再加一個四 就變成12個，我們稱為DP12 這個十二縮肽形成線性的十二縮肽 後來在下面有個區域叫做TE區域 TE區域叫硫酯酶域，在圖中 是這個地方 這個硫酯酶域形成這個鍵結，這個酯鍵 之外，也把這個四加四加四，就組裝 成一個12的環狀的結構，好 那這樣子的一個反應，叫做大環內酯化 因為你形成一個酯鍵 讓這個環…環起來 所以是這個環的裡面，叫做一個閉合成環 的這個過程，叫做大環內酯化 這時候，這個12個環狀的多肽 就離開了，它就形成這個毒素的產生 然後才可以繼續在催化下一個 所以以這個反應來講 都是由這些所謂的 蠟狀芽孢桿菌毒素合成酶，名字很長 叫cesA1、A2，跟B1、B2，來進行催化 而形成這個寡肽的 所以這個毒素並不是核糖體形成的多肽 而是由其它的酵素所形成的 這一點非常特殊，好 那除了這個毒素之外 另外一個毒素類型，叫做腹瀉型毒素 這個倒是比較常見的 通常都是所謂的腸毒素，那它的 潛伏時期比較久，就是你吃了含有汙染 的食物之後，大約要8到16小時 就會引發腹部絞痛、腹瀉，偶而會有噁心感 腹瀉型是以腹瀉為主要的病徵 偶爾會有嘔吐，嘔吐型是以嘔吐 為主要的病徵 偶爾會有腹瀉，大概是這樣，那它的這個 緩解需要一到兩天，就是拉肚子 一到兩天，那這個毒素，相對來講 它是蛋白質類的 一般的外毒素都是蛋白質 它比較不耐熱 所以一些食物加熱之後，這種腹瀉型 的毒素比較容易被分解掉(變性) 但是我們知道說，這個菌，仙人草桿菌 它是屬於芽胞桿菌屬，它這個菌有 可能會用芽孢的形式過活，所以如果 今天你用加熱的方式，把活的菌殺掉 然後把這種腹瀉型毒素分解掉 把它變性掉了，但如果這個菌 它形成芽孢，度過惡劣的環境 那你把食物煮熟之後放一陣子 這個芽孢又會重新萌芽，又形成新的菌 那你還是會中毒的 所以煮熟的食物，最好立刻使用 最好不要放太久，那相對於這個嘔吐型 主要是影響到穀物，尤其是飯這一類 那腹瀉型，它所汙染的 食物可能就是肉類或相關 的加工品，或湯品，或是蔬菜等，還有 乳製品，乳製品其實就跟最近食安問題 就是有些奶粉發現，這個仙人掌毒素 可能有污染仙人掌菌可能汙染 就很擔心它有腹瀉型的毒素在裡面 它比較容易…這一群的菌株會比較 汙染的是乳製品的，好。那這個腹瀉型的 就是比較常叫作腸毒素 因為它主要是針對你的腸子做反應 是蛋白質性質的，它不耐熱，所以這些 食物大概加熱到56度以上五分鐘 這些外毒素中的這個腸毒素，就被分解掉了 那腸毒素通常是對細胞具有毒性 它會破壞你的小腸上皮細胞的最外面 的那一層膜，膜一破掉 很多液體都跑出來 就會產生嚴重的腹瀉 造成細胞的死亡，它通常是具有小腸 上皮細胞的細胞毒性 那如果今天你吃到這個有被汙染 的食物，那要怎辦呢？一般就是慢慢的 就是喝電解質的水，然後慢慢的休息 症狀自然就會輕微、慢慢緩解的 像嘔吐可能一天之內，那腹瀉 可能一到兩天，那通常就是補充水份，多休息 我們通常不會給它特殊的抗生素 因為它自己會慢慢的緩解 慢慢的恢復的 好，那如果我們擔心我們的食物中可能 會有這個仙人掌桿菌的污染 怎麼辦？第一就是我們最好烹煮完 立刻馬上使用 不然它滋生，產生毒素，嘔吐型的毒素 不能被…用熱分解掉的，好 那如果你今天沒有要立刻食用完 最好就趕快高溫保溫，高溫保溫 主要是因為要讓這個菌死掉 讓它還沒有形成芽孢時就被殺死了 那如果這個煮好的食物 你之後要冷藏的 也建議你不要在室溫放太久 就是它一涼了就馬上放冰箱 因為你放了一久之後 在室溫下，這個菌就會開始繁衍傳播 有些菌可能會形成芽孢 那如果形成芽孢之後 你加熱又殺不死，它就很麻煩了 這就是我們一般對於食品，要注意到 一些病原體的預防 要食品趕快、儘快使用掉 如果你要冷凍、冷藏，請早一點冷藏 不要放…在室溫下放得過久了