肠道细菌使用超级聚合物来躲避抗生素

肠道细菌交换耐药DNA并比预期更容易形成感染性生物膜。

这一发现说明了为什么对付耐药细菌如此困难，但确实为解决这个问题提供了一条可能的途径。细菌用于转移基因的超聚合物结构也可用于未来医学中的精确药物输送。

肠道细菌形成称为F-pili的细胞外附属物，相互连接并转移DNA包，称为基因，使它们能够抵抗抗生素。人们认为人类和动物肠道内的恶劣条件，包括湍流、高温和酸，会破坏F-pili，使转移更加困难。

然而，由伦敦帝国理工学院研究人员领导的一个团队进行的新研究表明，菌毛在这些条件下实际上更强壮，帮助细菌更有效地转移抗性基因，并聚集成“生物膜”——保护性细菌联合体——帮助他们抵御抗生素。

结果发表在NatureCommunications上。

来自帝国理工学院生命科学系的第一作者JonaszPatkowski说：“预计到2050年，抗生素耐药性造成的死亡人数将与癌症相当，这意味着我们迫切需要新的策略来应对这一趋势。耐药性的传播在很大程度上是由驱动的通过细菌交换基因，所以对这个过程的详细了解可能会导致中断它的新方法。”

没那么脆弱

不同种类的细菌使用不同类型的菌毛在称为结合的过程中转移基因。一个经典的实验似乎表明这个过程是脆弱的，可以被搅动打断，但这留下了一个谜：如果这些系统如此脆弱，为什么这么多生活在像肠道这样恶劣条件下的细菌会使用这些系统?

因此，该团队着手测试这一假设。通过在结合过程中使用菌毛时摇动大肠杆菌，他们发现搅动实际上提高了细菌之间基因转移的效率。他们还观察到，在转移基因后，在摇晃条件下结合的细菌更容易聚集在一起形成生物膜，从而保护内部细菌免受周围抗生素分子的影响。

为了确定F-pili是如何做到这一点的，该团队通过将细菌安装在舞台上，使用“分子镊子”将玻璃珠连接到其中一个F-pili的末端来对它们进行强度测试，并且拉。F-pili被证明具有很高的弹性，具有类似弹簧的特性，可以防止它们断裂。

他们还测试了F-pili承受其他常见肠道条件的能力，将它们置于氢氧化钠、尿素和100°C的过高温度下——所有这些F-pili都存活了下来。

分子特性

该团队随后更进一步，在分子水平上观察菌毛，看看是什么赋予了它们这些不可思议的特性。它们主要由具有相互连接的磷脂分子的F-pilin“亚基”组成。

通过在没有磷脂的情况下对F-pili进行建模，该团队展示了这些分子对于结构的弹性和弹性强度的重要性。重复拉动实验表明，亚基在没有磷脂支持的情况下迅速分解，证明了它们在长生物聚合物中作为“分子胶”的新作用。

来自帝国理工学院生命科学系的首席研究员TiagoCosta博士说：“就资源和能源而言，制造F-pili对细菌来说是非常昂贵的，因此它们值得付出努力也就不足为奇了。我们已经展示了如何F-pili加速了动荡环境中抗生素耐药性和生物膜形成的传播，但现在的挑战是找到对抗这一非常有效过程的方法。”

虽然破坏病原菌中的菌毛是有利的，但如果我们可以对它们进行改造以用于例如药物输送，它们的特性可能会有所帮助。Patkowski解释说：“很难找到具有如此强大特性的管状附件。细菌用它来转移基因，但如果我们能够模仿这些特性，我们就可以使用类似的结构将药物精确地输送到体内需要的地方。”

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