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研究人員揭示了具有相同基因型的細(xì)菌如何顯示不同表型的機(jī)制

2018-12-29 09:06:06 ? 來源：

細(xì)菌群體提出了一個有趣的難題：在所謂的同基因群體中，所有細(xì)菌都具有相同的基因，但它們?nèi)匀槐憩F(xiàn)不同，例如以不同的速度生長。奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(IST奧地利)的研究人員現(xiàn)在通過研究細(xì)菌大腸桿菌是如何分解蛋白質(zhì)復(fù)合物來解決這一難題的一部分，該蛋白質(zhì)復(fù)合物通過將多種藥物(如抗生素)從細(xì)胞中泵出來解毒細(xì)胞。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一種細(xì)菌分成兩部分時，泵蛋白就會分布，因此一種細(xì)胞比另一種細(xì)胞遺傳更多的泵蛋白。在低濃度抗生素中，遺傳更多泵蛋白的細(xì)菌細(xì)胞生長更快。分配泵蛋白是在細(xì)菌群體中實(shí)現(xiàn)不同行為的一種方式，并且可能是產(chǎn)生抗生素抗性的墊腳石。今天發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上的這項(xiàng)研究是由一位跨學(xué)科二人組成的：一位實(shí)驗(yàn)主義者Tobias Bergmiller，以及來自IST奧地利C?lin Guet和GašperTka?ik的理論家Anna Andersson。

細(xì)菌群體由數(shù)千種個體細(xì)菌組成，所有細(xì)菌都具有相同的基因組成。但是這些個體可以具有一系列表型，即外觀和行為不同，這是由于細(xì)胞中的隨機(jī)過程影響遺傳指令的使用方式。對于細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)，細(xì)胞內(nèi)的液體，這些隨機(jī)分子過程包括蛋白質(zhì)分解的差異，或隨機(jī)分配到細(xì)胞分裂過程中形成的兩個細(xì)胞中。在目前的研究中，研究人員研究了圍繞細(xì)胞的細(xì)胞包膜中的蛋白質(zhì)復(fù)合物如何促成這種異質(zhì)性或表型的多樣性。

研究的蛋白質(zhì)復(fù)合物AcrAB-TolC是將藥物從大腸桿菌細(xì)胞中泵出的主要蛋白質(zhì)復(fù)合物。它存在于細(xì)胞包膜中，其中蛋白質(zhì)聚集在一起作為“島”。與細(xì)胞溶質(zhì)不同，蛋白質(zhì)通常通過擴(kuò)散充分混合，包膜中的蛋白質(zhì)可以不對稱地分離。這些簇中的一些形成于細(xì)胞極，即棒狀細(xì)菌的圓形末端，如大腸桿菌。在這些細(xì)菌中，細(xì)胞分裂“天生”的細(xì)胞可以通過其兩極來區(qū)分。一個細(xì)胞，即母細(xì)胞，保留了一個源自過去分裂的舊細(xì)胞極，其中外排泵蛋白形成穩(wěn)定的簇。

作者表明，AcrAB-TolC在母細(xì)胞中的這些舊細(xì)胞極上積累。這些母細(xì)胞可以比沒有遺傳舊細(xì)胞極的子細(xì)胞更有效地泵出藥物。在低濃度的抗生素下，母細(xì)胞比子細(xì)胞生長得更快?；谶@些觀察結(jié)果，研究人員開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，以確定藥物泵的偏差分配如何影響細(xì)菌種群。他們發(fā)現(xiàn)能迅速抽出藥物的母細(xì)胞變得更加常見。隨著這種異質(zhì)性長期存在，這種極端表型變得更加普遍，人口變得異質(zhì)。

C?lin Guet解釋了有偏見的分區(qū)可能是抗生素耐藥性的一步：“其他研究組最近的研究表明，在低濃度的抗生素中，導(dǎo)致抗生素耐藥性的突變很快就會出現(xiàn)。這種低濃度的分子越來越多地存在于天然抗生素中。事實(shí)上，關(guān)于抗生素選擇的研究發(fā)現(xiàn)，我們研究的基因AcrAB被擴(kuò)增。細(xì)菌群體的異質(zhì)性是通過藥物外排泵的偏向分配機(jī)制產(chǎn)生的，正如我們所做的那樣。在我們的研究中發(fā)現(xiàn)，可能是細(xì)菌種群走向抗生素耐藥性的一塊墊腳石“。

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