mBio：细菌的生存策略

　　

   

   

图片:德克萨斯农工大学的研究人员测量了细菌细胞中的强电场，以研究抗生素耐受性的不同来源。    

资料来源:德州农工工程公司

对抗生素产生基因耐药性的细菌每年导致数百万人死亡。然而，基因抗性只是细菌在抗生素中生存的一种方式。

德克萨斯农工大学的研究人员研究了驱动细菌生长的电化学能量的变化，以了解细菌如何在不获得新基因或突变现有基因的情况下产生抗生素耐药性。这些能量是强烈的:单个细菌产生的电场比闪电产生的电场还要强。

德克萨斯农工大学阿蒂麦克费林化学工程系副教授普什卡尔·莱莱博士说:“细菌在数十亿年的时间里发展出了许多适应策略，以便在不利的环境中生存。”“大多数适应机制尚未被理解。”

每年，大约有300万磅的抗生素被用于人类医药，而8倍于此数量的抗生素被用于保持供人类消费的牲畜健康。不幸的是，过量和无针对性地使用抗生素会为细菌中抗生素耐药性的出现创造条件。

先前的研究指出，缺乏足够能量的单个细菌细胞经常在致命剂量的抗生素中存活下来。这些休眠细胞可能不具备对抗生素产生耐药性的基因。相反，它们会在抗生素的攻击中睡觉。

“抗生素通常通过针对细胞中的关键过程来消除活跃生长的细菌。”在休眠的细菌中，这些过程可能会受到阻碍，导致抗生素无效。事实上，高能量水平被认为对它们的生存机会有害。”

因此，当他们观察到存活的细胞时，研究小组感到惊讶大肠杆菌在抗生素存在的情况下快速游泳数小时。细菌通过称为鞭毛的细长的旋转附属物游泳。鞭毛在穿过细胞膜的强电场作用下每秒旋转数百次。因此，实验表明，与传统智慧相反，幸存者保持了较高的电化学能量。

为了研究细胞能量和抗生素耐受性之间的相关性，研究人员用几种抗生素组合处理细胞。利用荧光染料和灵敏的光子检测技术，他们监测了存活细胞的电化学能量水平。尽管处于生长停滞的状态，细胞出人意料地表现出广泛的能量。

接下来，研究小组确定了如果治疗中断，幸存者对抗生素水平下降的反应。在单细胞水平上，他们发现一旦抗生素威胁被消除，高能量细胞立即开始生长，这证明了不完整的抗生素疗程的危险。

结果表明，一些细菌即使既不休眠也不耐药，也能在抗生素的冲击下存活下来。令人担忧的是，这类细菌保留了游出有害环境并迅速传播的能力。此外，高能量保留使它们能够以各种方式适应抗生素。

“能量来源在大肠杆菌为运动提供动力，也为许多转运蛋白提供动力，通常被称为外排泵，这些转运蛋白可以将抗生素泵出细胞，以减轻威胁。我们观察到的游泳细胞可能是通过这种机制适应的。”

如果感染患者对最初的抗生素干预没有反应，医疗治疗通常涉及切换到不同的抗生素。他们的发现最吸引人的地方在于，与使用单一抗生素相比，更换抗生素时，高能量细胞的存活频率更高。

“我们的研究结果还表明，尽管基因相同，但种群中的细胞可以而且确实采用不同的机制来适应抗生素压力。”“如果考虑到这种多样性，治疗方案会有更好的结果。

文章标题

Heterogeneous Distribution of Proton Motive Force in Nonheritable Antibiotic Resistance