肠道细菌使用超级聚合物躲避抗生素

肠道细菌交换耐药DNA并形成传染性生物膜比预期的更容易。

这一发现表明了为什么解决耐药细菌如此困难，但确实为解决这个问题提供了可能的途径。细菌用于转移基因的超聚合物结构也可以用于未来医学的精确药物递送。

肠道细菌形成称为F-pili的细胞外附属物，相互连接并转移DNA包，称为基因，使它们能够抵抗抗生素。人们认为，人类和动物肠道内的恶劣条件，包括湍流，热量和酸，会破坏F-pili，使转移更加困难。

然而，由伦敦帝国理工学院研究人员领导的一个团队的新研究表明，F-pili在这些条件下实际上更强，帮助细菌更有效地转移抗性基因，并聚集成“生物膜” - 保护性细菌联盟 - 帮助它们抵御抗生素。

研究结果发表在Nature Communications上。

来自帝国理工学院生命科学系的第一作者Jonasz Patkowski说：“预计到2050年，抗菌素耐药性的死亡人数将与癌症相当，这意味着我们迫切需要新的策略来对抗这一趋势。耐药性的大部分传播是由细菌交换基因驱动的，因此对这一过程的详细了解可能会导致中断它的新方法。

没那么脆弱

不同类别的细菌使用不同类型的毛发在称为缀合的过程中转移基因。一个经典的实验似乎表明这个过程很脆弱，可能会被搅动打断，但这留下了一个谜：如果它们如此脆弱，为什么这么多生活在肠道等恶劣条件下的细菌会使用这些系统?

因此，该团队着手测试这一假设。通过在偶联过程中使用F-pili时摇晃大肠杆菌，他们发现搅拌实际上提高了细菌之间基因转移的效率。他们还观察到，在转移基因后，摇晃条件下的共轭细菌更容易聚集在一起形成生物膜，从而保护内部细菌免受周围抗生素分子的侵害。

为了确定F-pili如何做到这一点，研究小组通过将它们安装在载物台上，使用“分子镊子”将玻璃珠连接到其中一个F-pili的末端，然后拉动，对它们进行了强度测试。事实证明，F-pili具有很高的弹性，具有弹簧状的特性，可以防止它们断裂。

他们还测试了F-pili承受其他常见肠道条件的能力，使它们受到氢氧化钠，尿素和100°C的过高温度 - 所有这些都使F-pili幸存下来。

分子性质

然后，该团队更进一步，在分子水平上观察F-pili，看看是什么赋予了它们这些令人难以置信的特性。它们主要由具有相互连接的磷脂分子的F-皮林“亚基”组成。

通过模拟不含磷脂的F-pili，研究小组展示了这些分子对结构的弹性和弹性强度的重要性。重复拉动实验表明，亚基在没有磷脂支撑的情况下迅速分解，证明了它们在长生物聚合物中作为“分子胶”的新作用。

帝国理工学院生命科学系的首席研究员Tiago Costa博士说：“就资源和能源而言，制造F-pili对细菌来说非常昂贵，因此它们值得付出努力也就不足为奇了。我们已经展示了F-pili如何在动荡的环境中加速抗生素耐药性的传播和生物膜的形成，但现在的挑战是找到对抗这一非常有效的过程的方法。

虽然在致病菌中破坏F-pili是有利的，但如果我们可以设计它们用于例如药物输送，它们的特性可能会有所帮助。Patkowski解释说：“很难找到具有如此强大特性的管状附件。细菌使用它来转移基因，但如果我们可以模仿这些特性，我们就可以使用类似的结构来精确地将药物输送到体内需要的地方。

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