研究人员利用实验和计算方法揭示了细菌防御系统的运作方式

理解为什么细菌变得抗生素抗性的核心是了解细菌如何对试图杀死它们的药物做出反应。在一项新的研究中，波士顿学院的研究人员报告说，抗生素会破坏致命细菌的遗传防御反应。

研究人员发现，当面临一种普遍的或历史性的威胁，例如剥夺营养素时，致命的细菌肺炎链球菌会产生高度有组织的反应 - 一种受细菌遗传进化影响并受到与压力协同作用的基因驱动的反应。但是，当面对抗生素- 一种相对较新的压力形式时 - 根据“抗生素破坏病原菌中转录和表型应激反应之间的协调”的研究，这种细菌进行了混乱的防御，今天发表在Cell Reports上。

“我们表明，营养压力会导致细菌的高度组织化反应，”该研究的首席研究员Tim van Opijnen副教授说。“它基本上似乎认识到压力，并知道如何处理它。

“但对抗生素的反应非常混乱，表明该生物体有这种压力的困难，尝试各种不相关的东西来解决问题并克服压力，”他说。“这表明细菌对抗生素的熟悉程度要低得多，而不是'知道'如何做出适当的反应。”

Van Opijnen的数据驱动研究有助于建立对细菌如何依赖基础遗传网络发挥作用的理解，该研究结果可能会促进新药的开发，并有助于预测细菌如何进化，适应并对抗生素产生抗药性。

Van Opijnen和共同作者，BC博士生Karen Zhu和现任伊利诺伊大学的前博士后研究员Paul Jensen将大量实验数据与他们开发的新的大规模计算模型相结合洞察并挑战一些长期以来关于细菌与旨在治疗它们的药物之间相互作用的假设。

肺炎链球菌每年导致大约150万人死亡。在先前的研究中，van Opijnen及其同事已经发现不同的细菌菌株对抗生素有独特的反应。这一次，研究小组研究了菌株对不同压力因素的反应。该团队采用了两种分析方法 - 一种在使用多年，另一种在van Opijnen实验室中开发。

该团队使用称为RNA测序(RNA-Seq)的过程来评估激发变化的细菌基因，这一过程称为转录。长期以来，这项活动一直被视为了解细菌如何对抗抗生素和其他压力因素的核心。

该团队将该分析与其自身的技术配对：转座子插入测序或Tn-Seq。Tn-Seq由van Opijnen开发，通过数百万个基因序列梳理细胞中的单基因功能。Tn-Seq的优势在于它能够开​​始确定哪些基因起着最重要的防御作用。

在两年多的时间里，该团队的RNA-Seq实验分析了8亿个基因序列并产生了150,000个数据点。朱说，Tn-Seq分析了12亿个序列，产生了3亿个数据点。

“RNA-Seq研究了生物体基因组中每个基因的活性，”van Opijnen说。“每个基因的活动一直与重要性有关。近三十年的假设是，如果你采取有机体并强调它，基因的活动发生变化，它必定是重要的。”

van Opijnen说，这个假设很难测试。但是对于Tn-Seq，van Opijnen有能力评估基因在特定条件下的重要性。

“我们发现你不能认为基因活性的改变意味着基因是重要的，”van Opijnen说。他说，这是一个令人惊讶的发现。毕竟，如果对生物体的生存不重要，为什么会发生基因活动的变化呢?

van Opijnen说，部分答案可能是基因在细菌菌株整个基因组中起作用的协作性质。“他们合作并证实了执行功能，以解决特定的表型，”他说。“所以有一种关系，因为基因在通路或网络中都相互协作;它们相互合作。”

研究人员构建了对剥夺的协调反应的代谢模型，使响应基因彼此非常接近。当用抗生素进行挑战时，该模型显示物理网络的响应在解体中崩溃，并且这些基因不再接近。

“细菌利用这些类型的规则来对抗压力，”朱说。“在营养枯竭方面，因为他们在进化过程中对这种类型的压力做出了反应，细菌'知道'如何协调这种活动。但是，如果有一种相对较新的侵入性应激源，如抗生素，细菌可能不是能够找到一种产生协调反应的方法。“

为了寻找某些类型的细菌对抗生素产生抗药性的原因，研究人员已经建立了一种新的方法来理解为什么抗生素成功抵抗细菌感染。

“通过结合计算和大规模实验工作，我们建立了一个模型，以便首先了解细菌如何处理已知和未知的压力，”van Opijnen说。“这很关键，因为它使它成为未来某个时期新干预措施的垫脚石。如果我们能够理解压力是如何被处理的，我们可以想出一种更好的方法来开发一种新的压力源来打破有机体，或根除它。”