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      研究人員確定了細菌如何在貧氧環(huán)境中存活
      
			
      
				2019-05-16 09:51:13
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      哥倫比亞大學(xué)的生物學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種機制，通過這種機制，擁擠的缺氧環(huán)境中的細菌細胞可以獲取氧氣來產(chǎn)生能量，從而確保細胞的存活。這一發(fā)現(xiàn)可以解釋一些細菌如銅綠假單胞菌(銅綠假單胞菌)如何能夠在貧氧環(huán)境如生物膜和抵抗抗生素中茁壯成長。
      

      研究人員確定了細菌如何在貧氧環(huán)境中存活
      

      “銅綠假單胞菌生物膜感染是導(dǎo)致囊性纖維化患者死亡的主要原因，囊性纖維化是一種影響肺部和消化系統(tǒng)的遺傳病，”首席研究員Lars Dietrich說，他是生物科學(xué)副教授。“了解能夠存在于氧氣恒星環(huán)境中的銅綠假單胞菌和其他細菌的存活和毒力的途徑可以為許多這些和其他免疫功能低下的患者提供治療方法。”
      

      這項研究本周出現(xiàn)在eLife雜志上。
      

      細菌很少單獨作為單細胞生物存活。大多數(shù)人在社區(qū)中生長，利用數(shù)字的強度形成具有類似組織特性的生物膜，類似于用于強化社區(qū)的支架，使其對大多數(shù)抗生素的抗性高達1,000倍。
      

      每個單獨的細胞必須自己從食物中提取電子，然后沿著細胞膜運輸，直到它們到達氧分子。在這個代謝過程中釋放的能量被用來維持生命。然而，隨著細菌群體繼續(xù)生長并形成生物膜，它們可能變得過度擁擠，從而形成一個環(huán)境，每個細胞必須競爭有限的營養(yǎng)和氧氣才能生存。
      

      研究表明，包括銅綠假單胞菌在內(nèi)的一些細菌已經(jīng)進化出不同的策略來應(yīng)對和應(yīng)對生物膜中的低氧條件。例如，細菌群落可以改變生物膜的整體結(jié)構(gòu)，使得其表面積與體積比更高，并且更大比例的內(nèi)部細胞能夠接近外部的氧氣。銅綠假單胞菌也可以制造稱為吩嗪的分子，這有助于將電子從細胞內(nèi)部傳遞到外部，最終到達遠處可用的氧氣。另一種策略是制備末端氧化酶的替代版本，膜中的酶將電子轉(zhuǎn)移到氧氣中，其更有效地使用氧氣，或者當(dāng)其濃度低時更好地清除氧氣。盡管已經(jīng)進行了大量研究以檢驗這些酶和策略對銅綠假單胞菌生長的重要性，但它們主要是在實驗室中充分氧化的液體培養(yǎng)物中進行的。當(dāng)銅綠假單胞菌感染實際宿主(例如人)時，它通常作為生物膜生長并遇到極其不同的條件。
      

      在美國國立衛(wèi)生研究院和國家科學(xué)基金會的聯(lián)邦資助下，Dietrich，第一作者Jeanyoung Jo和他們的同事開始更好地了解特定的末端氧化酶是否對生物膜群落中的銅綠假單胞菌代謝很重要，吩嗪如何補償?shù)脱跛?，以及這些適應(yīng)策略如何促成銅綠假單胞菌引起感染的能力。
      

      他們發(fā)現(xiàn)對電子轉(zhuǎn)化為能量至關(guān)重要的電子傳遞鏈可以并且在缺氧的生物膜中深處運行，并且在這些環(huán)境中，細菌依賴于鏈的末端氧化酶的特定部分 - 一種叫做CcoN4 - 獲取氧氣并正常生長。缺乏這種蛋白質(zhì)的細胞不能與攜帶它的細胞一樣存活，因此研究人員認為CcoN4有助于細菌的毒力。他們還發(fā)現(xiàn)CcoN4在生物膜中最佳地使用吩嗪起作用。雖然這些吩嗪先前已經(jīng)被證明可以代謝地補償銅綠假單胞菌生物膜中的低氧條件，但這種機制仍然是一個科學(xué)謎。
      

      迪特里希說：“這種細菌是尋找不同氧氣攝入策略的大師。”“我們知道吩嗪是參與的，它們以某種方式幫助細胞獲得氧氣，但我們不知道如何。它似乎來自電子傳遞鏈。這是一個重要的啟示。我們知道細菌細胞有不同的方式在富氧環(huán)境中代謝能量，但是最長的時間我們無法弄清楚當(dāng)氧氣難以進入時它們是如何做到的。“
      

      該研究結(jié)果可能對銅綠假單胞菌生物膜感染的治療產(chǎn)生重大影響，因為了解導(dǎo)致銅綠假單胞菌存活和毒力的途徑可以為患者提供治療方法。例如，開發(fā)阻斷含有CcoN4的末端氧化酶的療法會削弱細菌及其引起感染的能力。
      

      “我們開始越來越多地了解細胞如何在相當(dāng)可怕的環(huán)境中生存，”迪特里希說。“我們正在理解這個機制。現(xiàn)在我們可以開始尋找關(guān)閉這個過程的方法了。”
      
			

			
        
      
			
      
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