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一個多世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直在研究作為一種抵抗感染模型的大腸桿菌，即一種導(dǎo)致食物中毒的細(xì)菌之一。這樣的研究已導(dǎo)致人們開發(fā)出穿過細(xì)菌的保護(hù)性細(xì)胞壁來殺死它們的眾多抗生素。
如今，在一項(xiàng)新的研究中，來自美國斯坦福大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員報(bào)道科學(xué)家們之前忽略了大腸桿菌的薄薄外膜緊貼它的厚厚細(xì)胞壁的物理力量。相關(guān)研究結(jié)果于2018年7月18日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“The outer membrane is an essential load-bearing element in Gram-negative bacteria”。論文通信作者為斯坦福大學(xué)生物工程師Kerwyn Casey Huang。
大腸桿菌，圖片來自Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH。
科學(xué)家很早之前就已知道許多細(xì)菌具有外膜。但是在此之前，人們認(rèn)為它就像一層收縮包裝，僅是讓抗生素更難進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞。但是正如這項(xiàng)新的研究顯示的那樣，外膜在物理上保護(hù)細(xì)胞，而且可能是新型抗菌藥物的一種良好的靶標(biāo)。
Huang說，“我們發(fā)現(xiàn)外膜能夠起著一套盔甲的作用，而且實(shí)際上比細(xì)胞壁更強(qiáng)。這些年來，這個功能一直在人們的眼皮底下隱藏著，這讓人感到羞愧。”
Huang說，這些研究結(jié)果指出了一種抵抗大約一半具有外膜的細(xì)菌物種（比如大腸桿菌）的新型策略。他說，“如果我們能夠攻擊外膜，那么傳染性細(xì)菌將會通過以其他方式破壞細(xì)胞的抗生素治療加以事先削弱。”
化學(xué)盾牌（chemical shields）
所有細(xì)菌都有一個包圍并保護(hù)它的內(nèi)部的細(xì)胞壁。幾十年前，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)大腸桿菌和許多其他的細(xì)菌都有一個額外的被稱作外膜的層來包圍著它們的細(xì)胞壁。
自外膜被發(fā)現(xiàn)以來，它就已被用于將細(xì)菌劃分為對革蘭氏染色（一種常見的染色技術(shù)）作出反應(yīng)和不作出反應(yīng)的細(xì)菌。具有外膜的細(xì)菌不會對這種化學(xué)染色作出反應(yīng)而被稱為革蘭氏陰性菌。具有裸露細(xì)胞壁的細(xì)菌對這種化學(xué)染色作出反應(yīng)而被稱為革蘭氏陽性菌。
這兩類細(xì)菌都可能具有傳染性，而且當(dāng)這種情形發(fā)生時，外膜的存在與否也可有助于確定它們是否將對抗生素作出反應(yīng)性。具有外膜的革蘭氏陰性菌往往對抗生素產(chǎn)生更強(qiáng)的抵抗力。
Huang 說，“科學(xué)家們知道外膜是化學(xué)盾牌。因此，當(dāng)利用抗生素處理細(xì)胞時，這容易成為一種煩心的事兒。”
驚人的強(qiáng)度
然而，近年來，科學(xué)家們已獲得了外膜比他們想象中的更重要的線索。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，Huang實(shí)驗(yàn)室移除了大腸桿菌的細(xì)胞壁，但保留了它的外膜完整性。不出所料，這種細(xì)菌失去了它們的黃瓜形狀而聚集成團(tuán)塊。但是這個團(tuán)塊中的很大一部分細(xì)菌會存活下來、發(fā)生增殖并終再次產(chǎn)生新的黃瓜形大腸桿菌。這項(xiàng)新的研究為外膜必須發(fā)揮著重要的結(jié)構(gòu)作用和保護(hù)作用提供了線索。
在過去四年中，這些研究人員測試了外膜的結(jié)構(gòu)力量。他們突然地讓細(xì)菌內(nèi)部的壓力猛降，但不像流行的假說所預(yù)測的那樣這會導(dǎo)致細(xì)胞壁大幅地縮小，相反，他們發(fā)現(xiàn)這種外膜的強(qiáng)度足以維持幾乎完整的大腸桿菌黃瓜形狀。
在其他實(shí)驗(yàn)中，這些研究人員讓大腸桿菌細(xì)胞經(jīng)歷兩小時的壓力快速增加和降低。大腸桿菌細(xì)胞通常會不理睬這些反復(fù)的壓力變化，而且它們在生長時就好像沒有發(fā)生任何變化。然而，當(dāng)這些研究人員削弱外膜時，細(xì)菌細(xì)胞快速地死亡。Huang說，“一種強(qiáng)大的外膜的存在與否是生與死的區(qū)別。”
這些實(shí)驗(yàn)鑒定出一些讓外膜具有驚人的強(qiáng)度的組分。Huang說，那些破壞了這個看似薄薄的外膜的藥物可能有助于消滅傳染性細(xì)菌。
Huang補(bǔ)充道，這項(xiàng)研究屬于一個新興的被稱作機(jī)械生物學(xué)（mechanobiology）的研究領(lǐng)域。雖然科學(xué)家們曾將細(xì)胞看作是可通過化學(xué)手段加以研究的大量化學(xué)物質(zhì)，但是如今，很多工具揭示出讓細(xì)胞和器官發(fā)揮作用的極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。（生物谷 ）
參考資料：
Enrique R. Rojas, Gabriel Billings, Pascal D. Odermatt et al. The outer membrane is an essential load-bearing element in Gram-negative bacteria. Nature, Published online: 18 July 2018, doi:10.1038/s41586-018-0344-3
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