巴西圣保羅大學(xué)(USP)的研究人員描述了一種在醫(yī)院環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)細(xì)菌物種中存在的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將毒素混合物注入競(jìng)爭(zhēng)性細(xì)菌中并完全消除。該發(fā)現(xiàn)可用于新的抗菌化合物的未來開發(fā)中。

該研究得到圣保羅研究基金會(huì)(FAPESP)的支持，并由USP化學(xué)研究所(IQ)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所(ICB)的研究人員在PLOS Pathogens中發(fā)表。

研究人員發(fā)現(xiàn)嗜麥芽窄食單胞菌利用一種分泌系統(tǒng)產(chǎn)生毒素混合物，并將其注入其他與空間和食物競(jìng)爭(zhēng)的微生物中。此外，研究人員對(duì)雞尾酒中的12種蛋白質(zhì)之一進(jìn)行了表征，即Smlt3024，并觀察到該分子本身可以大大降低其他細(xì)菌的復(fù)制速度。

“我們認(rèn)為這些毒素將來可以作為一種治療手段來探索。正如抗生素可以來自其他細(xì)菌一樣，我們也在探索這種細(xì)菌本身用來殺死其他病原體的武器庫(kù)，”埃塞爾·拜耳-桑托斯說。 ICB-USP研究員。

該研究是她在IQ-USP的博士后項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目也得到了FAPESP的支持。她目前獲得了FAPESP的青年研究者資助。

細(xì)菌分泌系統(tǒng)是存在于細(xì)菌細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)復(fù)合物，用于分泌物質(zhì)。致病細(xì)菌利用這些系統(tǒng)分泌毒力因子并侵入宿主細(xì)胞。

“眾所周知，IV型分泌系統(tǒng)[T4SS]可以將蛋白質(zhì)和DNA分泌到其他細(xì)胞或細(xì)胞外培養(yǎng)基中。我們最近發(fā)現(xiàn)它存在于引起柑橘潰瘍病的病原體檸檬黃單胞菌中。這種細(xì)菌[ 嗜麥芽孢桿菌]通常從水和土壤中分離出來，但在醫(yī)院環(huán)境中卻可能成為機(jī)會(huì)病原體。” IQ-USP教授兼此項(xiàng)研究的主要研究員Shaker Chuck Farah說。

該研究與由FAPESP資助的兩個(gè)主題項(xiàng)目相關(guān)：“循環(huán)雙GMP信號(hào)傳導(dǎo)和檸檬黃單胞菌的 IV型大分子分泌系統(tǒng)”和“細(xì)菌分泌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能”。

該小組在《自然檸檬》中發(fā)現(xiàn)了分泌系統(tǒng)的報(bào)道在《自然通訊》上發(fā)表的一篇論文中已有報(bào)道。同一小組的另一篇文章發(fā)表于2018年《自然微生物學(xué)》(Nature Microbiology)，描述了使用低溫電子顯微鏡(cryo-EM)的許多分泌系統(tǒng)的原子結(jié)構(gòu)，該成像技術(shù)使科學(xué)家能夠觀察生物分子的3-D結(jié)構(gòu)，例如他們移動(dòng)并互動(dòng)。

細(xì)菌戰(zhàn)

微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)決定了哪些物種將在特定棲息地中占主導(dǎo)地位或被根除。細(xì)菌有幾種機(jī)制可以減少競(jìng)爭(zhēng)者的繁殖，甚至殺死他們。一種是T4SS，其本身由100多種成分組成，這些成分來自其細(xì)胞表面上存在的12種不同蛋白質(zhì)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，檸檬酸假單胞菌和嗜麥芽孢桿菌的分泌系統(tǒng)含有它們分泌的毒素的解毒劑。需要這些解毒劑來保護(hù)微生物免受其自身武器的傷害。攻擊另一種細(xì)菌時(shí)，攻擊者僅通過接觸或使用菌毛(一種類似于魚叉的細(xì)絲)將毒素注入競(jìng)爭(zhēng)者。

為了測(cè)試該系統(tǒng)的作用，研究人員進(jìn)行了一些涉及細(xì)菌之間競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們將嗜麥芽孢桿菌和大腸桿菌(一種在實(shí)驗(yàn)室中廣泛使用的物種)的標(biāo)本放在同一培養(yǎng)基中。當(dāng)嗜麥芽孢桿菌接近并消滅其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手時(shí)，大腸桿菌才剛剛開始繁殖。對(duì)肺炎克雷伯菌和傷寒沙門氏菌以及感染囊性纖維化患者的銅綠假單胞菌也觀察到了相同的效果。

另一個(gè)實(shí)驗(yàn)包括單獨(dú)測(cè)試Smlt3024的效果。在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)毒素的大腸桿菌標(biāo)本沒有生長(zhǎng)變化。但是，當(dāng)除了Smlt3024的基因外，它們還具有信號(hào)序列時(shí)(一組某些氨基酸會(huì)改變蛋白質(zhì)的位置)，毒素被定向到周質(zhì)(即內(nèi)膜和內(nèi)膜之間的空間)中。細(xì)菌)，就像原始系統(tǒng)在嗜麥芽胞桿菌和檸檬黃桿菌中所做的一樣。在這種情況下，大腸桿菌中的細(xì)胞分裂大大減少，證明了蛋白質(zhì)的作用。

雖然這兩個(gè)S.麥芽和柑橘黃單胞具有相同的系統(tǒng)中，它們可使用T4SSs殺死對(duì)方，作為另一實(shí)驗(yàn)表明。實(shí)驗(yàn)還表明，一個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件可以被另一個(gè)系統(tǒng)的同源物所替代，并且一種細(xì)菌中的T4SS可以分泌另一種細(xì)菌的毒素。

所有這些都證明了未來在結(jié)構(gòu)上的相似性，以探索在數(shù)十種其他細(xì)菌物種中發(fā)現(xiàn)的相似的T4SS(同源物)。新的研究可能使其他研究人員能夠開發(fā)出抑制該系統(tǒng)作用的分子，以用于新藥的發(fā)現(xiàn)。

“我們可以篩選能夠與該系統(tǒng)結(jié)合并抑制毒素從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞的某些重要階段的藥物。這可能會(huì)降低某些環(huán)境中這些細(xì)菌的存活率，” Farah說。

拜耳-桑托斯說：“毒素本身可以用作抗微生物劑，但是還需要做其他研究來檢驗(yàn)這種可能性。”

該研究還得到了FAPESP的支持，另外三位作者均與IQ-USP有關(guān)系：Bruno Yasui Matsuyama，他獲得了FAPESP的博士后獎(jiǎng)學(xué)金;加布里埃爾·烏瑪吉·岡(Gabriel Umaji Oka)，他也獲得了FAPESP的博士后獎(jiǎng)學(xué)金;威廉·塞恩斯(William Cenens)，其博士后獎(jiǎng)學(xué)金于2019年5月結(jié)束。