細菌對付抗生素的秘密武器
日期:2014-09-11 09:01:13
病原菌能夠對抗菌藥物產生耐藥性,這對全球人類健康構成了越來越大的威脅。最近,科學家發現,這些微小的“敵人”可能比我們預想的還要狡猾,它們經受壓力時會使用隱藏的遺傳變化促進快速演化,并以以往所認為的更多方式產生耐藥性。相關研究結果發表在最近的《Biomicrofluidics》雜志。
在這項研究中,來自新澤西普林斯頓大學的研究人員描述了兩種相似的大腸桿菌菌株,利用截然不同的基因突變,快速產生相同水平的耐藥性。細菌能夠針對同一問題制定不同的解決方案,表明它們具有不同的遺傳“武器”來對付抗生素,這有可能會讓它們更加靈活并難以被打敗。
這項研究的負責人、普林斯頓大學生物物理學家Robert Austin說:“細菌是聰明的,它們用隱蔽的方式來應對壓力,包括重塑它們的基因組。”
細菌如何有效地經受住藥物治療,是值得我們認真思考的。Austin指出:“這告訴我們,必須更謹慎地使用抗生素。”
加速進化
Austin及其同事專注于開發獨特的、充滿液體的微觀結構,來檢測細菌進化理論。Austin指出,他們不是使用試管或培養皿這些均勻的環境,而是制備了一種設備,他們認為該設備能夠更好地模仿自然的生態位。
研究小組使用一種定制的微流體裝置,包含大約1000個連接的小生境,這些小生境中生長著細菌群落。該裝置可產生類似于自然細菌生境中發現的食品和藥物復雜梯度,如腸道或人體內的其他腔室。
Austin說:“在復雜的環境中,耐藥性的出現可能比試管實驗所預期的影響更為迅速和深刻。”
從以前使用復雜微加工設備而進行的實驗,研究人員得知,一些普通的、大腸桿菌“野生型”菌株能快速進化出抗生素耐藥性。他們想知道,當一個突變株(稱為GASP,可用比野生型更有限的養分進行復制)暴露于相同的藥物時,是否會產生同樣類型的抗生素耐藥性。
秘密武器
通過對暴露于抗生素環丙沙星(Cipro)的野生型菌株和GASP細菌菌落進行基因組測序,研究人員發現,不同的基因突變可以導致相似水平的抗生素耐藥性。例如,兩種不同的突變株出現:其中一種耐抗生素的GASP菌株,通過這樣一種方式進化,以使其不再需要為了生存壓力而形成生物膜。它通過向感染細菌的一種病毒“借用”一塊殘余DNA,做到這一點。
病毒通常將自身DNA注入細菌,有時候DNA序列殘余似乎不再有什么病毒復制功能。在正常情況下,剩余的DNA可能既不能幫助細菌,也不能阻礙細菌,但是在壓力情況下,細菌可以使用新的DNA來快速產生抗生素耐藥突變。
Austin表示,這些結果證明了細菌用以對抗壓力的工具的微妙之處和多樣性。他想知道,我們其余的有效殺菌方法(如用酒精消毒表面),是否也有弱點?他的研究小組計劃檢測,是否他們設備中的細菌能演化出耐醇性。