Science新发现挑战细菌抗性理论

在近五十多年中科学家们一直相信，对抗生素产生抗性的细菌是那些停止了生长和分裂的个体。现在科学家们通过微流体技术，发现产生抗性的细菌群体实际上在持续分裂和死亡，对旧理论提出了挑战。

　　

生物通报道：抗生素往往很难完全消除细菌感染，细菌群落中常有一部分得以存活，人们在发现青霉素后便认识到这一现象。在近五十多年中科学家们一直相信，对抗生素产生抗性的细菌是那些停止了生长和分裂的个体。

迄今为止，实际上人们还不能在细胞遭遇抗生素前后追踪其生长，因此之前这类分析并不精确。“使用微流体，我们可以单独观察每个细菌，而不需要计算整个群体，” EPFL的微生物和微系统实验室（LMIC）主任John McKinney说。

上述新工具为科学家们带来了不少惊喜，“我们过去认为，在抗生物素环境存活下来的细菌是停止分裂的固定群体，但实际上它们会持续分裂和死亡。这些细菌群体是动态的，群体中的细胞在不断地改变，只不过这些细胞的总数保持不变。正因为它们在分裂，细菌才能够通过突变在抗生素环境下发展出抗性，” LMIC的科学家Neeraj Dhar说。

了解这一点极为重要，“我们能够为细菌抗性现象推出纯粹的遗传学解释，” Dhar解释道。“在细菌群体中存在着能够广泛突变的个体，它们中的一些因此能够适应前所未有的环境压力，正是这些抗性个体帮助细菌群体得以继续生存。这修正了整个细菌适应性理论，”McKinney说。

传统理论认为获得抗性的细菌是停止了生长和分裂的个体，而EPFL的科学家们针对肺结核菌的近亲进行研究，对这一理论提出了挑战。研究人员还发现，细菌以一种脉冲式的随机方式生产一种酶，而这种酶是抗生素起作用所必须的。研究显示，抗生素引起的细菌死亡与这种酶的表达密切相关。该研究发表在本周的Science杂志上。

该研究的结论标志着细菌抗性新理论的诞生，提出了抗性演化的新观点。目前研究人员正在对其他微生物进行进一步研究，包括结核菌和大肠杆菌E. coli，他们指出也可以通过这一途径来研究一些癌细胞对治疗的抵抗。“这是研究感染为何难以根除的新途径，现在我们正在与制药公司合作，将这一新技术用于新抗生素的研发。” McKinney说，“微工程学为我们开辟了新的研究途径。”

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Dynamic Persistence of Antibiotic-Stressed Mycobacteria

Exposure of an isogenic bacterial population to a cidal antibiotic typically fails to eliminate a small fraction of refractory cells. Historically, fractional killing has been attributed to infrequently dividing or nondividing “persisters.” Using microfluidic cultures and time-lapse microscopy, we found that Mycobacterium smegmatis persists by dividing in the presence of the drug isoniazid (INH). Although persistence in these studies was characterized by stable numbers of cells, this apparent stability was actually a dynamic state of balanced division and death. Single cells expressed catalase-peroxidase (KatG), which activates INH, in stochastic pulses that were negatively correlated with cell survival. These behaviors may reflect epigenetic effects, because KatG pulsing and death were correlated between sibling cells. Selection of lineages characterized by infrequent KatG pulsing could allow nonresponsive adaptation during prolonged drug exposure.