摘要：細(xì)菌用來(lái)轉(zhuǎn)移基因的超聚合物結(jié)構(gòu)也可以在未來(lái)醫(yī)學(xué)中用于精確的藥物輸送。
腸道細(xì)菌形成稱(chēng)為F-pili的細(xì)胞外附屬物，相互連接并傳遞稱(chēng)為基因的DNA包，使它們能夠抵抗抗生素。人們認(rèn)為，人類(lèi)和動(dòng)物腸道內(nèi)的惡劣條件，包括湍流、熱量和酸，會(huì)破壞F-pili，使轉(zhuǎn)移更加困難。
然而，由倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組的新研究表明，在這些條件下，F(xiàn)-pili實(shí)際上更強(qiáng)壯，幫助細(xì)菌更有效地轉(zhuǎn)移抗性基因，并聚集成“生物膜”——保護(hù)性細(xì)菌聯(lián)合體——幫助它們抵御抗生素。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了為什么對(duì)付耐藥細(xì)菌如此困難，但確實(shí)為解決這一問(wèn)題提供了一條可能的途徑。細(xì)菌用來(lái)轉(zhuǎn)移基因的超聚合物結(jié)構(gòu)也可以在未來(lái)醫(yī)學(xué)中用于精確的藥物輸送。研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。
圖1 研究發(fā)現(xiàn)F-pili幫助細(xì)菌更有效地轉(zhuǎn)移抗性基因并聚集成“生物膜”
不同種類(lèi)的細(xì)菌使用不同類(lèi)型的pili在稱(chēng)為結(jié)合的過(guò)程中轉(zhuǎn)移基因。一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)似乎表明，這個(gè)過(guò)程是脆弱的，可能會(huì)被攪動(dòng)打斷，但這留下了一個(gè)謎:如果腸道如此脆弱，為什么這么多生活在惡劣條件下的細(xì)菌會(huì)使用這些系統(tǒng)?
因此，研究小組開(kāi)始驗(yàn)證這一假設(shè)。通過(guò)搖動(dòng)大腸桿菌，同時(shí)在接合過(guò)程中使用F-pili，他們發(fā)現(xiàn)攪拌實(shí)際上提高了細(xì)菌之間基因轉(zhuǎn)移的效率。他們還觀(guān)察到，在轉(zhuǎn)移基因后，在搖晃的條件下，結(jié)合的細(xì)菌更容易聚集在一起形成生物膜，從而保護(hù)內(nèi)部細(xì)菌免受周?chē)股胤肿拥那趾Α?/div>
圖2 機(jī)械應(yīng)力對(duì)結(jié)合效率和生物膜形成的影響。
圖3 完整細(xì)菌和純化F-pili的電子顯微鏡顯微照片
為了確定F-pili是如何做到這一點(diǎn)的，研究小組對(duì)它們進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，他們?cè)谝粋€(gè)臺(tái)上安裝了一個(gè)細(xì)菌，用“分子鑷子”將一個(gè)玻璃珠連接到其中一個(gè)F-pili的末端，然后拉。F-pili被證明是高度彈性的，具有彈簧般的特性，可以防止它們斷裂。
圖2 機(jī)械應(yīng)力對(duì)結(jié)合效率和生物膜形成的影響。
他們還測(cè)試了F-pili對(duì)其他常見(jiàn)腸道條件的承受能力，將它們置于氫氧化鈉、尿素和100°C的高溫下——所有這些條件下F-pili都存活了下來(lái)。
然后，研究小組進(jìn)一步研究了F-pili，從分子水平上觀(guān)察是什么賦予了它們這些令人難以置信的特性。它們主要由F-pilin“亞基”與相互連接的磷脂分子組成。
圖3 完整細(xì)菌和純化F-pili的電子顯微鏡顯微照片
通過(guò)模擬沒(méi)有磷脂的F-pili，研究小組展示了這些分子對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性和彈性強(qiáng)度有多重要。重復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)表明，亞基在沒(méi)有磷脂支持的情況下迅速分解，證明了它們?cè)陂L(zhǎng)生物聚合物中作為“分子膠”的新作用。
來(lái)自帝國(guó)理工大學(xué)生命科學(xué)系的第一作者Jonasz Patkowski說(shuō):“到2050年，抗菌素耐藥性導(dǎo)致的死亡人數(shù)預(yù)計(jì)將與癌癥死亡人數(shù)持平，這意味著我們迫切需要新的策略來(lái)對(duì)抗這一趨勢(shì)。耐藥性的傳播在很大程度上是由細(xì)菌交換基因驅(qū)動(dòng)的，因此對(duì)這一過(guò)程的詳細(xì)了解可能會(huì)導(dǎo)致中斷它的新方法。很難找到具有如此強(qiáng)大性能的管狀附屬物。細(xì)菌利用它來(lái)轉(zhuǎn)移基因，但如果我們能夠模仿這些特性，我們就可以使用類(lèi)似的結(jié)構(gòu)來(lái)精確地將藥物輸送到體內(nèi)需要的地方”
來(lái)自帝國(guó)理工大學(xué)生命科學(xué)系的首席研究員Tiago Costa博士說(shuō):“就資源和能量而言，制造F-pili對(duì)細(xì)菌來(lái)說(shuō)是非常昂貴的，所以它們值得付出努力也就不足為奇了。我們已經(jīng)展示了F-pili如何在動(dòng)蕩的環(huán)境中加速抗生素耐藥性的傳播和生物膜的形成，但現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是找到對(duì)抗這一非常有效的過(guò)程的方法。”
雖然破壞致病菌中的F-pili是有利的，但如果我們能將它們用于藥物輸送等方面，它們的特性可能會(huì)有所幫助。
參考資料：
[1] The F-pilus biomechanical adaptability accelerates conjugative dissemination of antimicrobial resistance and biofilm formation
摘要：細(xì)菌用來(lái)轉(zhuǎn)移基因的超聚合物結(jié)構(gòu)也可以在未來(lái)醫(yī)學(xué)中用于精確的藥物輸送。
腸道細(xì)菌形成稱(chēng)為F-pili的細(xì)胞外附屬物，相互連接并傳遞稱(chēng)為基因的DNA包，使它們能夠抵抗抗生素。人們認(rèn)為，人類(lèi)和動(dòng)物腸道內(nèi)的惡劣條件，包括湍流、熱量和酸，會(huì)破壞F-pili，使轉(zhuǎn)移更加困難。
然而，由倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組的新研究表明，在這些條件下，F(xiàn)-pili實(shí)際上更強(qiáng)壯，幫助細(xì)菌更有效地轉(zhuǎn)移抗性基因，并聚集成“生物膜”——保護(hù)性細(xì)菌聯(lián)合體——幫助它們抵御抗生素。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了為什么對(duì)付耐藥細(xì)菌如此困難，但確實(shí)為解決這一問(wèn)題提供了一條可能的途徑。細(xì)菌用來(lái)轉(zhuǎn)移基因的超聚合物結(jié)構(gòu)也可以在未來(lái)醫(yī)學(xué)中用于精確的藥物輸送。研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Communications》雜志上。
圖1 研究發(fā)現(xiàn)F-pili幫助細(xì)菌更有效地轉(zhuǎn)移抗性基因并聚集成“生物膜”
不同種類(lèi)的細(xì)菌使用不同類(lèi)型的pili在稱(chēng)為結(jié)合的過(guò)程中轉(zhuǎn)移基因。一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)似乎表明，這個(gè)過(guò)程是脆弱的，可能會(huì)被攪動(dòng)打斷，但這留下了一個(gè)謎:如果腸道如此脆弱，為什么這么多生活在惡劣條件下的細(xì)菌會(huì)使用這些系統(tǒng)?
因此，研究小組開(kāi)始驗(yàn)證這一假設(shè)。通過(guò)搖動(dòng)大腸桿菌，同時(shí)在接合過(guò)程中使用F-pili，他們發(fā)現(xiàn)攪拌實(shí)際上提高了細(xì)菌之間基因轉(zhuǎn)移的效率。他們還觀(guān)察到，在轉(zhuǎn)移基因后，在搖晃的條件下，結(jié)合的細(xì)菌更容易聚集在一起形成生物膜，從而保護(hù)內(nèi)部細(xì)菌免受周?chē)股胤肿拥那趾Α?/div>
圖2 機(jī)械應(yīng)力對(duì)結(jié)合效率和生物膜形成的影響。
圖3 完整細(xì)菌和純化F-pili的電子顯微鏡顯微照片
為了確定F-pili是如何做到這一點(diǎn)的，研究小組對(duì)它們進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，他們?cè)谝粋€(gè)臺(tái)上安裝了一個(gè)細(xì)菌，用“分子鑷子”將一個(gè)玻璃珠連接到其中一個(gè)F-pili的末端，然后拉。F-pili被證明是高度彈性的，具有彈簧般的特性，可以防止它們斷裂。
圖2 機(jī)械應(yīng)力對(duì)結(jié)合效率和生物膜形成的影響。
他們還測(cè)試了F-pili對(duì)其他常見(jiàn)腸道條件的承受能力，將它們置于氫氧化鈉、尿素和100°C的高溫下——所有這些條件下F-pili都存活了下來(lái)。
然后，研究小組進(jìn)一步研究了F-pili，從分子水平上觀(guān)察是什么賦予了它們這些令人難以置信的特性。它們主要由F-pilin“亞基”與相互連接的磷脂分子組成。
圖3 完整細(xì)菌和純化F-pili的電子顯微鏡顯微照片
通過(guò)模擬沒(méi)有磷脂的F-pili，研究小組展示了這些分子對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性和彈性強(qiáng)度有多重要。重復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)表明，亞基在沒(méi)有磷脂支持的情況下迅速分解，證明了它們?cè)陂L(zhǎng)生物聚合物中作為“分子膠”的新作用。
來(lái)自帝國(guó)理工大學(xué)生命科學(xué)系的第一作者Jonasz Patkowski說(shuō):“到2050年，抗菌素耐藥性導(dǎo)致的死亡人數(shù)預(yù)計(jì)將與癌癥死亡人數(shù)持平，這意味著我們迫切需要新的策略來(lái)對(duì)抗這一趨勢(shì)。耐藥性的傳播在很大程度上是由細(xì)菌交換基因驅(qū)動(dòng)的，因此對(duì)這一過(guò)程的詳細(xì)了解可能會(huì)導(dǎo)致中斷它的新方法。很難找到具有如此強(qiáng)大性能的管狀附屬物。細(xì)菌利用它來(lái)轉(zhuǎn)移基因，但如果我們能夠模仿這些特性，我們就可以使用類(lèi)似的結(jié)構(gòu)來(lái)精確地將藥物輸送到體內(nèi)需要的地方”
來(lái)自帝國(guó)理工大學(xué)生命科學(xué)系的首席研究員Tiago Costa博士說(shuō):“就資源和能量而言，制造F-pili對(duì)細(xì)菌來(lái)說(shuō)是非常昂貴的，所以它們值得付出努力也就不足為奇了。我們已經(jīng)展示了F-pili如何在動(dòng)蕩的環(huán)境中加速抗生素耐藥性的傳播和生物膜的形成，但現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是找到對(duì)抗這一非常有效的過(guò)程的方法。”
雖然破壞致病菌中的F-pili是有利的，但如果我們能將它們用于藥物輸送等方面，它們的特性可能會(huì)有所幫助。
參考資料：
[1] The F-pilus biomechanical adaptability accelerates conjugative dissemination of antimicrobial resistance and biofilm formation
