细菌装甲可能成为抗生素的新靶点

一个多世纪以来，科学家一直在研究导致食物中毒的细菌之一 -大肠杆菌，作为对抗感染的模型。这种研究已经导致各种抗生素渗入细菌的保护细胞壁以杀死它们。

现在，斯坦福大学生物工程师KC Huang领导的一项多校大学研究表明，大肠杆菌已经设法对其防御保守了一个大秘密。他和他的合作者在“自然”杂志上报道说，科学家忽略了薄薄的外膜紧贴大肠杆菌粗壮细胞壁的惊人体力。

科学家早就知道许多细菌都有外膜。但到目前为止，研究人员认为它就像一层收缩包装，只是让抗生素进入细胞变得更加困难。但正如新的研究显示，外膜在物理上保护细胞，可能成为新一类抗菌药物的良好靶标。

“我们发现外膜可以作为一种实际上比细胞壁更强的盔甲，”生物工程和微生物学与免疫学副教授黄说。“这些年来，人们一直认为这个功能一直隐藏着，这让人感到羞愧。”

黄说，这些研究结果表明，对于大肠杆菌中大约一半的细菌有新的抗感染策略，如大肠杆菌，有外膜。“如果我们可以攻击外膜，传染性细菌将被预先削弱，以抗生素治疗为目标，以其他方式破坏细胞，”他说。

化学防护罩

所有细菌都有一个细胞壁，围绕并保护细胞的内部运作。几十年前，科学家发现大肠杆菌和许多其他细菌都有一层额外的层，称为外膜，围绕着它们的细胞壁。

自从它被发现以来，这种外膜已被用作一种将细菌分类为对普通染色技术做出反应和不反应的方法，称为革兰氏染色。具有外膜的细菌不会对化学染色产生反应，称为革兰氏阴性。具有裸细胞壁的细菌对染色起反应并被归类为革兰氏阳性。

两种细菌都可能变得具有传染性，当发生这种情况时，外膜的存在与否也可以帮助确定它们对抗生素的反应性。革兰氏阴性菌 - 具有外膜 - 往往对抗生素更具抗性。

“科学家们知道外膜是化学防护罩，”黄说。“因此，当用抗生素给细胞服用时，很容易将这第三层变为烦恼。”

惊人的力量

然而，近年来，研究人员已经得到了外膜比他们想象的更重要的线索。在一项研究中，Huang的实验室去除了大肠杆菌的细胞壁，但保留了外膜的完整性。不出所料，细菌失去了黄瓜的形状，变成了斑点。但是这些斑点中的很大一部分幸存下来，繁殖并最终再生出新的黄瓜形大肠杆菌。

恩里克罗哈斯是黄氏实验室的前博士后学者，也是新论文的第一作者，他说这项研究是外膜必须发挥重要结构和保护作用的线索。

“我们只是听取了数据。科学是关于数据，而不是教条，”罗哈斯说，现在是纽约大学生物学助理教授。

在过去四年中，该小组成员与加州大学旧金山分校和威斯康星大学麦迪逊分校的合作者一起测试了外膜的结构能力。

它们突然摧毁了细菌内部的压力，但不像正常的假设所预测的那样导致细胞壁大规模收缩，他们发现外膜强度足以几乎完全维持大肠杆菌的黄瓜形状。

在其他实验中，他们将大肠杆菌细胞放置两小时的快速增加和压力降低。大肠杆菌细胞通常会摆脱这些反复的侮辱并长大，好像根本没有发生任何变化。然而，当研究人员削弱外膜时，细胞迅速死亡。

“存在或不存在强大的外膜是生与死的区别，”黄说。

实验确定了一些组件，使外膜具有惊人的强度。黄说，那些破坏了看似薄薄外层的药物可以帮助消灭传染性细菌。

Huang补充说，这些发现是一个新兴的研究领域，称为机械生物学。虽然科学家们曾将细胞看作是化学方法研究的大量化学物质，但今天工具的汇合揭示了无限复杂的结构特性，使细胞和器官发挥作用。

“这是一个非常激动人心的研究生物学的时期，”黄说。“我们正在接近我们的工具和技术变得足够精确，以便有时能够在几乎原子水平上辨别产生生命的物理规则。”