一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家一直在研究導(dǎo)致食物中毒的細(xì)菌之一 -大腸桿菌，作為對(duì)抗感染的模型。這種研究已經(jīng)導(dǎo)致各種抗生素滲入細(xì)菌的保護(hù)細(xì)胞壁以殺死它們。

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)生物工程師KC Huang領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)多校大學(xué)研究表明，大腸桿菌已經(jīng)設(shè)法對(duì)其防御保守了一個(gè)大秘密。他和他的合作者在“自然”雜志上報(bào)道說(shuō)，科學(xué)家忽略了薄薄的外膜緊貼大腸桿菌粗壯細(xì)胞壁的驚人體力。

科學(xué)家早就知道許多細(xì)菌都有外膜。但到目前為止，研究人員認(rèn)為它就像一層收縮包裝，只是讓抗生素進(jìn)入細(xì)胞變得更加困難。但正如新的研究顯示，外膜在物理上保護(hù)細(xì)胞，可能成為新一類(lèi)抗菌藥物的良好靶標(biāo)。

“我們發(fā)現(xiàn)外膜可以作為一種實(shí)際上比細(xì)胞壁更強(qiáng)的盔甲，”生物工程和微生物學(xué)與免疫學(xué)副教授黃說(shuō)。“這些年來(lái)，人們一直認(rèn)為這個(gè)功能一直隱藏著，這讓人感到羞愧。”

黃說(shuō)，這些研究結(jié)果表明，對(duì)于大腸桿菌中大約一半的細(xì)菌有新的抗感染策略，如大腸桿菌，有外膜。“如果我們可以攻擊外膜，傳染性細(xì)菌將被預(yù)先削弱，以抗生素治療為目標(biāo)，以其他方式破壞細(xì)胞，”他說(shuō)。

化學(xué)防護(hù)罩

所有細(xì)菌都有一個(gè)細(xì)胞壁，圍繞并保護(hù)細(xì)胞的內(nèi)部運(yùn)作。幾十年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大腸桿菌和許多其他細(xì)菌都有一層額外的層，稱(chēng)為外膜，圍繞著它們的細(xì)胞壁。

自從它被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，這種外膜已被用作一種將細(xì)菌分類(lèi)為對(duì)普通染色技術(shù)做出反應(yīng)和不反應(yīng)的方法，稱(chēng)為革蘭氏染色。具有外膜的細(xì)菌不會(huì)對(duì)化學(xué)染色產(chǎn)生反應(yīng)，稱(chēng)為革蘭氏陰性。具有裸細(xì)胞壁的細(xì)菌對(duì)染色起反應(yīng)并被歸類(lèi)為革蘭氏陽(yáng)性。

兩種細(xì)菌都可能變得具有傳染性，當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，外膜的存在與否也可以幫助確定它們對(duì)抗生素的反應(yīng)性。革蘭氏陰性菌 - 具有外膜 - 往往對(duì)抗生素更具抗性。

“科學(xué)家們知道外膜是化學(xué)防護(hù)罩，”黃說(shuō)。“因此，當(dāng)用抗生素給細(xì)胞服用時(shí)，很容易將這第三層變?yōu)闊馈?rdquo;

驚人的力量

然而，近年來(lái)，研究人員已經(jīng)得到了外膜比他們想象的更重要的線索。在一項(xiàng)研究中，Huang的實(shí)驗(yàn)室去除了大腸桿菌的細(xì)胞壁，但保留了外膜的完整性。不出所料，細(xì)菌失去了黃瓜的形狀，變成了斑點(diǎn)。但是這些斑點(diǎn)中的很大一部分幸存下來(lái)，繁殖并最終再生出新的黃瓜形大腸桿菌。

恩里克羅哈斯是黃氏實(shí)驗(yàn)室的前博士后學(xué)者，也是新論文的第一作者，他說(shuō)這項(xiàng)研究是外膜必須發(fā)揮重要結(jié)構(gòu)和保護(hù)作用的線索。

“我們只是聽(tīng)取了數(shù)據(jù)?？茖W(xué)是關(guān)于數(shù)據(jù)，而不是教條，”羅哈斯說(shuō)，現(xiàn)在是紐約大學(xué)生物學(xué)助理教授。

在過(guò)去四年中，該小組成員與加州大學(xué)舊金山分校和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的合作者一起測(cè)試了外膜的結(jié)構(gòu)能力。

它們突然摧毀了細(xì)菌內(nèi)部的壓力，但不像正常的假設(shè)所預(yù)測(cè)的那樣導(dǎo)致細(xì)胞壁大規(guī)模收縮，他們發(fā)現(xiàn)外膜強(qiáng)度足以幾乎完全維持大腸桿菌的黃瓜形狀。

在其他實(shí)驗(yàn)中，他們將大腸桿菌細(xì)胞放置兩小時(shí)的快速增加和壓力降低。大腸桿菌細(xì)胞通常會(huì)擺脫這些反復(fù)的侮辱并長(zhǎng)大，好像根本沒(méi)有發(fā)生任何變化。然而，當(dāng)研究人員削弱外膜時(shí)，細(xì)胞迅速死亡。

“存在或不存在強(qiáng)大的外膜是生與死的區(qū)別，”黃說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)確定了一些組件，使外膜具有驚人的強(qiáng)度。黃說(shuō)，那些破壞了看似薄薄外層的藥物可以幫助消滅傳染性細(xì)菌。

Huang補(bǔ)充說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，稱(chēng)為機(jī)械生物學(xué)。雖然科學(xué)家們?cè)鴮⒓?xì)胞看作是化學(xué)方法研究的大量化學(xué)物質(zhì)，但今天工具的匯合揭示了無(wú)限復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性，使細(xì)胞和器官發(fā)揮作用。

“這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的研究生物學(xué)的時(shí)期，”黃說(shuō)。“我們正在接近我們的工具和技術(shù)變得足夠精確，以便有時(shí)能夠在幾乎原子水平上辨別產(chǎn)生生命的物理規(guī)則。”