結核桿菌（也稱結核分枝桿菌），是引起結核病的病原體，由德國細菌學家羅伯特·科赫在 1882 年發現並證明為人類結核病的病原菌，它能侵犯全身各個器官，其中以引起肺結核最為多見，而這也是細菌感染性疾病致死的首位原因。
在人類與病原體的長期鬥爭中，結核桿菌無疑是其中最為“狡猾”的敵人之一，它不僅能在人體肺部大肆繁殖，更具備極強的環境適應能力。當感染者咳嗽時，數以百萬計的病菌被拋向空中，在溫度驟變、酸鹼失衡、化學成分劇變的惡劣環境中，它們依然能保持活性，伺機尋找下一個宿主。
傳統研究大多聚焦於病菌在宿主體內的致病機制，而忽視了其在傳播過程中的自我保護策略。這種認知盲區導致結核病防控存在短板，雖能抑制患者體內病菌增殖，卻難以阻斷病菌在人際間的傳播感染。
病菌在空氣傳播過程中的存活能力是其持續感染的關鍵之一，若是能削弱病菌暴露在空氣中的自我保護能力，就能有效阻止其進一步傳播擴散。但就目前而言，科學界對這些致命微生物的“超級適應能力”的機制仍然知之甚少。
（來源：MIT News）
近期，麻省理工學院的研究人員及其合作者發現了一組基因，其對於病原體暴露於空氣中時的生存能力發揮重要作用，在病菌傳播過程中起到保護作用。
在此之前，這些基因通常被視為“非必需基因”，因為它們在細菌的體內致病過程中似乎並沒有太大的影響。但此次的新研究卻改變了這一認知，並揭示出這些基因在傳播環節而非增殖環節中的關鍵作用。
“在結核桿菌的空氣傳播方面，我們一直存在認知盲區，長期忽視了一個關鍵科學問題，即當病原體透過空氣傳播時如何在環境劇烈變化中維持生存能力。” 麻省理工學院流體動力學疾病傳播實驗室負責人、土木與環境工程及機械工程副教授 Lydia Bourouiba 表示，“現在，透過研究這些基因，我們開始瞭解到結核桿菌在惡劣環境中保護自身的關鍵機制。”
（來源：PNAS）
目前，這項研究成果已經發表在 PNAS 上，有望為結核病的防治開闢全新路徑：既阻斷傳播又治療感染。值得關注的是，傳統抗結核藥物主要針對病原體增殖過程，而新發現將藥物靶點拓展至病原體的環境適應機制。
“設想開發一種針對這些基因產物的藥物，不僅能有效清除患者體內的結核桿菌，更重要的是能在治療過程中阻斷病原體傳播。”威爾康奈爾醫學院微生物學和免疫學系主任 Carl Nathan 教授強調了這一發現的雙重價值。
Nathan 和 Bourouiba 是這項研究的共同通訊作者。團隊成員還包括麻省理工學院 Xiaoyi Hu、Eric Shen、Robin Jahn、Luc Geurts 等，此外，還有來自威爾康奈爾醫學院、加州大學聖地亞哥分校、洛克菲勒大學、華盛頓大學等的研究人員。
另外，這項研究還得到了美國國立衛生研究院、美國國家科學基金會大流行病擴充套件分析和預測中心（APPEX）、NASA 空間健康轉化研究所等的支援。
揭開結核桿菌的生存密碼
在威脅人類健康的眾多傳染病中，結核病被稱作“沉默殺手”，這是一種由結核桿菌引發的呼吸道疾病，雖然主要攻擊肺部，但這種病原體卻能潛伏在人體多年。當感染者咳嗽或打噴嚏時致病菌會伴隨飛沫在空氣中擴散傳播。
結核病是導致感染性死亡的主要原因之一，即使在沒有病毒引發全球流行病的時期也是如此。正如 Nathan 所指出的那樣，“在過去的一百多年間，我們經歷了 1918 年的流感、1981 年的艾滋病和 2019 年的新冠病毒，這些病原體奪走了無數的生命。”他說道，“然而，隨著這些病毒的影響逐漸減弱，我們面對的是一個更為持久的流行病：結核病，每年仍在吞噬數百萬人的生命。”
此前，大多數關於結核病的研究都聚焦於其病理生理學，即細菌感染宿主的機制，以及疾病的診斷和治療方法。
在這項新研究中，Nathan 和 Bourouiba 則另闢蹊徑，選擇從病菌自身的角度出發，專注研究結核病的傳播過程，揭示該病菌可能採用的防禦策略以幫助其在惡劣環境中存活和傳播。
“這是首次嘗試從空氣傳播的角度來重新審視結核病。”Bourouiba 解釋說，“我們的目標是探究在生物物理條件突然變化及極端惡劣環境下，細菌是如何自我保護的。”
要知道，以往的研究大多集中在感染後的病理機制和治療方法上，而這次的研究重點在其空氣傳播過程中的生存策略。
圖｜研究人員模擬人類咳嗽後產生的呼氣湍流（來源：MIT News）
透過模擬人類咳嗽後的氣流湍流，並觀察細菌在這種環境下的行為模式，研究人員希望揭示結核桿菌在空氣傳播過程中所依賴的關鍵基因和機制，這不僅有助於開發新的治療藥物，還可以為防止疾病傳播提供新的思路和方法。
關鍵防禦機制
在麻省理工學院，Bourouiba 教授專注於流體物理學的研究，特別是液滴在傳播顆粒和病原體過程中的動態行為。最近，她與專注於結核病研究的 Nathan 合作，共同探討了細菌在其整個生命週期中依賴的關鍵基因。
為了更好地理解結核病菌如何在空氣中存活並傳播，研究人員需要建立一個實驗環境，儘可能準確地模擬這些微生物在自然條件下經歷的變化。
首先，研究團隊需要製備一種液體，其粘度和液滴尺寸與人們在咳嗽或打噴嚏時釋放出的液體相似，這一步對於確保實驗條件的真實性至關重要。
“以往對結核病的研究通常使用實驗室培養細菌時所採用的培養基，但我們發現，這種培養基的化學組成與結核病患者實際咳嗽、打噴嚏時噴出的液體差異很大。”Bourouiba 指出。
此外，她還提到，從結核病患者那裡收集到的樣本主要是咳出的痰液，主要用於診斷測試。“雖然痰液非常粘稠，並且被廣泛認為能夠反映患者體內的狀況，但在實際傳播過程中，由於過於濃稠難以分解成可吸入的飛沫小液滴，因此它的傳播效率實際上很低。”她補充說。
基於 Bourouiba 在流體力學及液滴物理學領域的專業知識，研究團隊成功確定了空氣傳播結核桿菌所需的微滴的最佳粘度和大小，使實驗條件更接近真實情況，這為進一步探究和阻斷結核病的傳播提供了新的視角。
圖｜結核桿菌在液體中的聚集情況（來源：MIT News）
研究團隊圍繞臨床樣本展開多維度檢測，透過病理切片和生物化學分析系統解析了患者肺部病灶的組成特徵，隨後，他們製備出一種新型“仿生培養液”。
這種液體在物理和化學性質上，包括溶質比例、流動粘性及介面張力等方面都模擬了人體呼吸道分泌物在自然環境下的狀態，同時，該液體形成的液滴粒徑大小也與實際咳嗽飛沫極為相似。
接下來，研究人員以單個微小液滴的形式將各種液體混合物放置於培養板上，並對其蒸發過程進行了詳細記錄，包括蒸發後留下的內部結構變化。
他們觀察到，在液滴蒸發的過程中，相較於傳統培養液中的細菌，新制備的液體能保護細菌避免暴露於空氣中，從而提高了生存率，同時還能保持更高的水含量。
為進一步探究基因對細菌生存的影響，他們還向每個液滴中添加了帶有不同基因缺失的菌株，以此來觀察特定基因的缺失是否會影響細菌在液滴蒸發過程中的存活情況。
透過這種方法，研究團隊評估了 4,000 多個結核病基因的活性，識別出一個由數百個基因組成的家族。這些基因似乎在幫助結核桿菌適應空氣傳播環境中扮演著重要角色。例如，一些基因負責修復因氧化損傷的蛋白質，而另一些則參與清除無法修復的受損蛋白質。
正如 Nathan 所言，“我們的研究揭示了大量的潛在關鍵基因，其中一部分特別值得注意，因為它們可能在促進結核病菌透過空氣進行傳播方面發揮著至關重要的作用。”
圖｜細菌在不同液體環境中經歷的保護性和破壞性結構變化過程，透過連續放大可以看到細菌在不利條件下如何自我保護或被破壞（來源：MIT News）
研究團隊也意識到，現有的實驗手段並不能完全復現細菌在自然環境中的傳播過程。具體來說，結核病菌主要透過飛沫進行傳播，這些微小的液滴在空氣中漂浮並逐漸蒸發。
然而，為了便於進行基因分析，研究人員不得不使用靜置於培養板上的液滴樣本。儘管這種方法存在侷限性，但為了儘可能模擬現實情況，他們將培養板置於一個極度乾燥的環境中，以加快液滴的蒸發速度。
在此基礎上，研究團隊下一步著手探索不同的實驗平臺，以便在不同條件下進一步觀察和分析懸浮狀態下的液滴行為。目的是在更貼近實際情況的環境下深入探究新發現的這個基因家族，並驗證這些基因是否確實在結核病菌的空氣傳播過程中發揮了保護作用。如果這一假設得到證實，那麼這將為開發抑制結核病菌傳播的新策略提供可能。
“僅僅依靠對已確診的結核病患者進行治療來控制疾病擴散的做法是遠遠不夠的。”Nathan 說道，“事實上，許多攜帶並釋放結核桿菌的患者尚未被診斷出來，因此我們必須找到有效的方法來切斷傳播鏈。目前我們面臨的挑戰在於如何精確地干預傳播過程，但隨著新研究成果的出現，預示著我們正朝著正確的方向邁進。”
原文連結：
https://news.mit.edu/2025/study-tuberculosis-protective-genes-during-airborne-transmission-0310