《Nat Chem Biol:利用细菌的特殊“胃口”来彻底清理环境中的抗生素污染》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2018-05-12
  • 对于严重细菌性感染(肺炎和脑膜炎)的患者而言,抗生素似乎是救命稻草,这种药物对于细菌是致命性的,但有些细菌能够通过衍生出一些耐药机制来对抗这些抗生素的作用;如今科学家们并不清楚细菌如何安全地使用抗生素,近日,一项刊登在国际杂志Nature Chemical Biology上的研究报告中,来自华盛顿大学医学院的研究人员就阐明了这一关键过程,相关研究或能帮助研究人员开发新方法来消除陆地和水中的抗生素,环境中抗生素的污染或能促进细菌耐药性的产生,这就会削弱我们治疗细菌性感染的能力。

    研究者Gautam Dantas博士表示,十年前我们偶然间发现,细菌可以“吃”抗生素,当时我们比较震惊,如今我们才开始意识到这对于研究细菌对抗生素的耐药性非常重要,如今我们开始研究阐明细菌是如何消耗抗生素的,而且我们也试图寻找多种手段来抑制细菌对抗生素产生耐药性。耐药性是全球面临的一项严重的健康威胁,现代工业和农业的很多做法都使我们周围的环境中充满了一些“活性药物”,这无疑中就加速了细菌抗生素耐药性的增强。

    在大量生产抗生素的国家,比如印度和中国等,很作只要工厂会将含有抗生素的废水排入当地的下水道,而在美国,一些农民在动物饲料中添加抗生素来帮助牲畜生长。细菌能够轻松共享它们的遗传物质,因此当抗生素浸润在水和土壤中时,其中生存的细菌就会通过扩散抗生素耐压性基因来产生反应。

    博士后研究者Dantas说道,我们想通过研究来理解某些环境细菌如何抵御抗生素并以其为食,文章中我们对四种亲缘关系较远的土壤细菌进行了研究,这些细菌仅靠青霉素就能旺盛生长,随后研究人员发现,当细菌摄入青霉素时,细菌细胞中三组特殊的基因就会被激活,而当细菌摄入糖分时这些基因就会处于失活状态,这三组细菌对应着细菌的三个关键步骤,其能将致命性的药物转化成为丰盛的食物。

    所有的细菌都会通过中和抗生素的危险部分来开启这一流程,一旦毒素危害被解除,它们就会将抗生素当做美味并吃掉。理解将抗生素转化成为食物的关键过程或能帮助研究人员对细菌进行工程化操作使其清理被抗生素等药物污染的土壤和水,从而就能有效减缓抗生素的耐药性,然而科学家们对于天然能够摄入抗生素的细菌就非常难以操作了,但一些比较容易“管脚”的细菌,比如大肠杆菌就能够被潜在工程化操作来使其在受污染的土壤和水中摄入抗生素。

    研究人员通过研究发现,大肠杆菌有能力在青霉素存在的环境中生存,这种细菌需要糖分,但随着一些遗传修饰和关键蛋白的加入,其在含有青霉素的无糖饮食中也会旺盛繁殖。研究者Crofts说道,随着我们进行一些巧妙的工程化操作,我们或许就能够对细菌进行修饰来破坏环境中的抗生素。

    最后研究者表示,任何生物学工程都应该包括一项加速抗生素处理的过程,土壤细菌能有效移除环境中的抗生素,但这个过程非常慢,而且这些细菌无法有效处理制药厂和污水处理设施附近的大量抗生素。研究者Dantas说道,你无法仅仅利用这些土壤细菌来浸泡田地,有效处理田地中大量的抗生素,但目前我们知道这些细菌是如何处理抗生素的,后期我们将会继续深入研究对土壤细菌进行改造,使其更加有效地处理污染环境的抗生素。

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41589-018-0052-1
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    • 2020年6月11日讯/生物谷BIOON/---在最近一项研究中,来自USC研究人员发现,一种新型的筛选方法可以更好地模拟人体内部状况,从而判断已有的抗生素能否对抗致命性的超级细菌感染。 研究人员发现,抗生素rifabutin对抵抗多重耐药的鲍氏不动杆菌具有很高的活性。该研究发表在最近的《Nature Microbiology》杂志上。 Rifabutin常被用于治疗结核病,在世界卫生组织的基本药物目录中,它是卫生系统中所需的最安全,最有效的药物。鲍氏不动杆菌会引起肺炎,脑膜炎和血液感染。根据疾病控制与预防中心的数据,美国境内每年因鲍氏不动杆菌引发的医院获得性感染导致的死亡占2%。 研究人员说,Rifabutin对超级细菌的超能力被忽视的原因之一是由于目前筛选技术的局限性。南加州医学中心首席医学官,该研究的高级作者Brad Spellberg说:“细菌在人体内的生长非常不同。”因此,研究小组设计了一种新型的“营养受限”培养基,可以更好地模拟体内状况。 他们发现,Rifabutin对在营养有限的培养基(以及动物组织)中生长的鲍氏不动杆菌具有强烈的活性,但对在更常用的培养基中生长的细菌无效。 科学家发现,Rifabutin采用独特的特洛伊木马策略,诱使细菌主动将药物导入自身内部,从而绕过细菌的外部细胞防御。研究人员发现,在传统的丰富培养基中,高含量的铁和氨基酸会抑制泵的活动。(生物谷 Bioon.com) 资讯出处:Old antibiotic may be a powerful new tool against deadly superbug 原始出处:Luna, B., et al. (2020) A nutrient-limited screen unmasks rifabutin hyperactivity for extensively drug-resistant Acinetobacter baumannii. Nature Microbiology. doi.org/10.1038/s41564-020-0737-6.
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    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2020-12-21
    • 近日,一篇发表在国际杂志Cell上题为“Ticks resist skin commensals with immune factor of bacterial origin”的研究报告中,来自加利福尼亚大学等机构的科学家们通过研究发现,莱姆病蜱虫或能产生抗生素保护其免受人类皮肤细菌的伤害。蜱虫过着非常危险的生活,其大部分时间都是在不同的栖息地和季节中寻找宿主,一旦其遇到爬行动物、鸟类或像人类等哺乳动物时,就会与之密切相连,尽管蜱虫因会传播诱发莱姆病的伯氏疏螺旋体而臭名昭著,但其自身的免疫系统却能保护其不备病原体所感染,这到底是为何? 这项研究中,研究人员就回答了这一问题,他们研究发现,蜱虫或能构建特殊的吸血机器,其免疫系统是为何这种独特的生活方式而专门定制的,蜱虫的防御策略在体内体外是同时进行的,当其以宿主为食时或许就能杀灭宿主机体中的常驻微生物。如果没有特殊基因的保护作用,蜱虫很容易被葡萄球菌感染(宿主机体最常见的一种共生细菌类型),这些细菌会在宿主皮肤表面“铺上地毯”,但一般对宿主无害。 研究者Chou说道,这是首次有人识别出了蜱虫的天然病原体并建立了蜱虫被感染的分子机制,蜱虫会将很多微生物传播给人类、牲畜和其它动物,这要比任何已知的节肢动物都要多,但其自身的脆弱性也暴露了出来。蜱虫体内名为dae2的基因最初是在细菌中进化的,其所编码的蛋白质能够作为抵御其它细菌感染的制剂;早在几亿年前,当蜱虫的祖先开始以血液为食时,其就从宿主体内偷走了dae2基因,并使其成为了自身基因组的一部分。 dae2基因代表了所谓的基因从细菌水平转移到动物体内的案例,这种转移发生在以血液为食物的进化过程中,但这或许并不是一个巧合。研究者表示,我们一直在想,为何蜱虫要以血液为食,血液不仅需要大量的能量来加工成为有用的食物,而且蜱虫还需要咬住并附着在比其身形大得多的动物身上,这看起来是一项非常危险的运动,但如果有一种强大的、dae2增强的免疫系统,蜱虫或许就能够不断发展,扩大并补充其血腥的生态位。 当研究人员开始研究肩突硬蜱(一种鹿身上寄生的蜱虫)中dae2基因时,他们认为,蜱虫对该基因的获取或许能保护其免于寄生在蜱虫身上的细菌(伯氏疏螺旋体)的影响。通过多次实验研究者试图寻找该基因抑制伯氏疏螺旋体影响蜱虫的分子机制。研究者Beth M. Hayes说道,蜱虫获得这种免疫效应器来杀灭寄生在其体内的细菌似乎并没有什么意义,随后研究者深入研究后提出了dae2或许能保护蜱虫抵御宿主体内的葡萄球菌的想法,研究者发现,当将Dae2蛋白引入到培养着葡萄球菌的培养液中时,培养液变清亮了,这时候他们或许找到了新的研究方向。 紧接着研究人员进行了一系列实验,首先将来自一系列蜱虫物种中的dae基因与其最初衍生的细菌的tae基因进行比较,通过进行高分辨率蛋白结构的比较分析,研究人员使用这些蛋白质的计算机模型来比较其与细菌细胞壁中分子接触时的形状和接触方向。随后他们检测了蛋白质抵御来自细菌细胞壁中实际分子的作用效果,结果发现,Dae2蛋白能快速降解来自普通皮肤细菌的材料,但Tae2却不行。此外,Dae2还能杀灭多种细菌,尤其是三种非常常见的细菌(人类皮肤的共生细菌)。 当研究人员利用RNA干扰技术,从一部分小鼠机体中消除了食血蜱虫机体中Dae2基因的效应时,他们发现,葡萄球菌的水平高于携带功能性蛋白的蜱虫的水平,这些蜱虫也比携带Dae2的蜱虫更能保持较小的身形,且体重增加也更少。最后研究者Chou说道,这是一种关于蜱虫如何与微生物相互作用的新思路;蜱虫携带的微生物会在全球范围内引起人类和动物的疾病,其共生体是我们的病原体,而我们的共生体又是其病原体。