當(dāng)我還是個(gè)孩子的時(shí)候，我的父母給了我一個(gè)甜蜜的粉紅色糖漿來消滅導(dǎo)致我喉嚨痛的細(xì)菌。記憶證明了抗生素的力量。但是，通過我在過去幾年中作為微生物學(xué)家的研究，我了解到，不僅一些微生物對(duì)抗生素具有免疫力，而且它們實(shí)際上可以“食用”這些藥物，將它們用作營養(yǎng)豐富的食物來繁殖和繁殖。

在過去的十年中，科學(xué)家已經(jīng)確定許多土壤棲息細(xì)菌能夠抵抗和食用我們依賴的抗生素來對(duì)抗令人討厭的感染。雖然這可能感覺像是來自微生物世界的譴責(zé)- 提醒他們，即使是我們最強(qiáng)大的藥物，它們也可以進(jìn)化 - 但這并非全是壞消息。

我和Gautam Dantas實(shí)驗(yàn)室的同事們不僅發(fā)現(xiàn)細(xì)菌如何能夠食用應(yīng)該殺死它們的藥物，而且這對(duì)人們也有用。我們發(fā)現(xiàn)有一天我們可能會(huì)利用這些抗生素咀嚼的微生物來清理被這些藥物污染的土地和水 - 這是抗生素抗性超級(jí)細(xì)菌的主要原因。

為什么抗生素會(huì)成為一種好吃的零食

微生物可以食用人類用來消滅它們的藥物，似乎違反直覺。但從細(xì)菌的角度來看，抗生素可能只不過是對(duì)生命至關(guān)重要的元素來源：碳，氫，氧和氮。此外，醫(yī)生開出的大多數(shù)抗生素都是由生活在土壤中的真菌和細(xì)菌制成的，或者來自這些抗生素。因此，這些良性土質(zhì)微生物對(duì)其土壤鄰居制造的碳化合物進(jìn)行零食是完全合理的。

在過去的10年里，Dantas實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們一直在研究細(xì)菌如何實(shí)現(xiàn)這一看似不太可能的壯舉。現(xiàn)在我們認(rèn)為我們已經(jīng)破解了這個(gè)謎團(tuán)。我們已經(jīng)確定了一系列基因，這些基因編碼微生物消耗青霉素所必需的酶(亞歷山大弗萊明在1928年以其自然形式發(fā)現(xiàn))。我們發(fā)現(xiàn)吃這種藥是一個(gè)兩步過程，細(xì)菌首先通過破壞一種叫做“β-內(nèi)酰胺彈頭”的藥物來解除抗生素的作用。如果沒有這個(gè)，剩余的青霉素片是無害的，可以用作食物，讓微生物在高濃度的藥物中茁壯成長。其次，細(xì)菌撕裂分子的環(huán)形部分，并使用一個(gè)專門的酶家族在進(jìn)食之前進(jìn)一步分解。

現(xiàn)在我們了解細(xì)菌使用哪種酶來禁用抗生素，我們可以制定防御策略并進(jìn)行反擊。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榭股啬退幖?xì)菌會(huì)導(dǎo)致超過200萬美國人患上嚴(yán)重疾病，導(dǎo)致每年超過20,000人死亡。這些感染治療起來比較困難，費(fèi)用也更高，因?yàn)樗鼈冃枰L期住院。每年由于處理成本(200億美元)和間接由于生產(chǎn)力損失(350億美元)而直接導(dǎo)致美國經(jīng)濟(jì)損失。

使用微生物吃污染

最終，我們希望我們能夠利用我們的研究結(jié)果來遏制抗生素耐藥性的主要原因之一：土地和水的污染。這些自然資源受到來自農(nóng)場(chǎng)的污水徑流的污染，這些農(nóng)場(chǎng)飼養(yǎng)抗生素使其肥胖，非法傾倒藥物廢物或溢出物 - 特別是來自中國和印度的散裝制造商。我們相信我們可以通過生物修復(fù)來去除這些藥物，生物修復(fù)使用生物來清理人為的混亂。

雖然我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)的細(xì)菌在喂食青霉素時(shí)生長緩慢，但我們可能能夠通過加速食用藥物來設(shè)計(jì)能夠更有效地去除抗生素的新品種。作為概念的證明，我們將來自土壤微生物的基因以及我們認(rèn)為具有相似功能的先前發(fā)現(xiàn)的基因切割并粘貼到大腸桿菌的良性實(shí)驗(yàn)室菌株中，并將其轉(zhuǎn)化為抗生素食用微生物。

雖然這可能聽起來很簡單，但要弄清楚青霉素進(jìn)食和將它們插入大腸桿菌的遺傳說明需要幾個(gè)步驟。首先，我們對(duì)Dantas博士發(fā)現(xiàn)的所有四種吃青霉素的細(xì)菌的整個(gè)遺傳內(nèi)容- 基因組 - 進(jìn)行了測(cè)序。這產(chǎn)生了細(xì)菌可以用來吃這種抗生素的所有潛在途徑的遺傳路線圖。通過研究哪些基因在吃青霉素時(shí)被細(xì)菌打開，我們了解哪些是最重要的。

為了證實(shí)我們已經(jīng)找到了微生物用來吃抗生素的步驟，我們?cè)谝环N土壤細(xì)菌菌株中打破了這些基因。這產(chǎn)生了不能消耗青霉素的突變體，幫助我們確定需要哪些基因來設(shè)計(jì)大腸桿菌來吃青霉素。

但真正有趣的發(fā)現(xiàn)是，青霉素?cái)z入需要兩組不同的基因協(xié)同工作，從抗生素抗性基因開始，打破毒性β-內(nèi)酰胺彈頭。如果沒有這種關(guān)鍵酶，細(xì)菌就無法解除抗生素的武裝，如果沒有酶負(fù)責(zé)從青霉素中去除環(huán)，就沒有什么可吃的了。

這表明我們可能能夠制造新的良性細(xì)菌菌株以從環(huán)境中去除抗生素。這并不意味著人們可以使用抗生素而不受懲罰，但它可能提供一種安全的方法來抑制未來抗生素耐藥性的傳播。