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Nature:震惊!细菌外膜的强度远超人们的想象

发布日期:2018-07-22来源:生物谷发布人:感控雏鹰

2018年7月22日/生物谷BIOON/---一个多世纪以来,科学家们一直在研究作为一种抵抗感染模型的大肠杆菌,即一种导致食物中毒的细菌之一。这样的研究已导致人们开发出穿过细菌的保护性细胞壁来杀死它们的众多抗生素

如今,在一项新的研究中,来自美国斯坦福大学等研究机构的研究人员报道科学家们之前忽略了大肠杆菌的薄薄外膜紧贴它的厚厚细胞壁的物理力量。相关研究结果于2018年7月18日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“The outer membrane is an essential load-bearing element in Gram-negative bacteria”。论文通信作者为斯坦福大学生物工程师Kerwyn Casey Huang。

大肠杆菌,图片来自Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH。

科学家很早之前就已知道许多细菌具有外膜。但是在此之前,人们认为它就像一层收缩包装,仅是让抗生素更难进入细菌细胞。但是正如这项新的研究显示的那样,外膜在物理上保护细胞,而且可能是新型抗菌药物的一种良好的靶标。

Huang说,“我们发现外膜能够起着一套盔甲的作用,而且实际上比细胞壁更强。这些年来,这个功能一直在人们的眼皮底下隐藏着,这让人感到羞愧。”

Huang说,这些研究结果指出了一种抵抗大约一半具有外膜的细菌物种(比如大肠杆菌)的新型策略。他说,“如果我们能够攻击外膜,那么传染性细菌将会通过以其他方式破坏细胞的抗生素治疗加以事先削弱。”

化学盾牌(chemical shields)

所有细菌都有一个包围并保护它的内部的细胞壁。几十年前,科学家们已发现大肠杆菌和许多其他的细菌都有一个额外的被称作外膜的层来包围着它们的细胞壁。

自外膜被发现以来,它就已被用于将细菌划分为对革兰氏染色(一种常见的染色技术)作出反应和不作出反应的细菌。具有外膜的细菌不会对这种化学染色作出反应而被称为革兰氏阴性菌。具有裸露细胞壁的细菌对这种化学染色作出反应而被称为革兰氏阳性菌。

这两类细菌都可能具有传染性,而且当这种情形发生时,外膜的存在与否也可有助于确定它们是否将对抗生素作出反应性。具有外膜的革兰氏阴性菌往往对抗生素产生更强的抵抗力。

Huang 说,“科学家们知道外膜是化学盾牌。因此,当利用抗生素处理细胞时,这容易成为一种烦心的事儿。”

惊人的强度

然而,近年来,科学家们已获得了外膜比他们想象中的更重要的线索。在一项实验中,Huang实验室移除了大肠杆菌的细胞壁,但保留了它的外膜完整性。不出所料,这种细菌失去了它们的黄瓜形状而聚集成团块。但是这个团块中的很大一部分细菌会存活下来、发生增殖并最终再次产生新的黄瓜形大肠杆菌。这项新的研究为外膜必须发挥着重要的结构作用和保护作用提供了线索。

在过去四年中,这些研究人员测试了外膜的结构力量。他们突然地让细菌内部的压力猛降,但不像流行的假说所预测的那样这会导致细胞壁大幅地缩小,相反,他们发现这种外膜的强度足以维持几乎完整的大肠杆菌黄瓜形状。

在其他实验中,这些研究人员让大肠杆菌细胞经历两小时的压力快速增加和降低。大肠杆菌细胞通常会不理睬这些反复的压力变化,而且它们在生长时就好像没有发生任何变化。然而,当这些研究人员削弱外膜时,细菌细胞快速地死亡。Huang说,“一种强大的外膜的存在与否是生与死的区别。”

这些实验鉴定出一些让外膜具有惊人的强度的组分。Huang说,那些破坏了这个看似薄薄的外膜的药物可能有助于消灭传染性细菌

Huang补充道,这项研究属于一个新兴的被称作机械生物学(mechanobiology)的研究领域。虽然科学家们曾将细胞看作是可通过化学手段加以研究的大量化学物质,但是如今,很多工具揭示出让细胞和器官发挥作用的极其复杂的结构性质。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Enrique R. Rojas, Gabriel Billings, Pascal D. Odermatt et al. The outer membrane is an essential load-bearing element in Gram-negative bacteria. Nature, Published online: 18 July 2018, doi:10.1038/s41586-018-0344-3