研究人员揭示细菌电化学能量如何为抗生素耐受性提供动力

抗生素耐药细菌对全球健康构成迫在眉睫的威胁。对抗生素产生遗传耐药性的细菌每年导致数百万人死亡。然而，遗传耐药性只是细菌在抗生素中存活的众多方式之一。

德克萨斯A&M大学的研究人员正在研究细菌如何在不获得新基因或突变现有基因的情况下对抗生素产生耐受性。研究人员专注于推动细菌生长的电化学能量的变化，以了解对抗生素的适应。这些能量非常强烈：单个细菌中的贡献电场可能比闪电中的电场强。

“数十亿年来，细菌已经开发出许多适应策略，以便在恶劣的环境中生存，”德克萨斯A&M大学Artie McFerrin化学工程系副教授Pushkar Lele博士说，“大多数适应机制尚未被理解。

该团队在mBio杂志上发表了一篇题为“非遗传性抗生素耐药性中质子动力的异质分布”的文章。

每年，大约有3万磅抗生素用于人类医学，其中八倍用于保持牲畜健康供人类消费。不幸的是，过量和非靶向使用抗生素可能会为细菌中出现抗生素耐药性创造条件。

以前的研究已经注意到，缺乏足够能量的单个细菌细胞经常在致死剂量的抗生素中存活下来。这些休眠细胞可能不具有可以赋予抗生素抗性的基因。相反，他们在抗生素发作中睡觉。

“抗生素通常通过靶向细胞中的关键过程来消除活跃生长的细菌，”Lele说。“在休眠细菌中，这些过程可能会受到阻碍，使抗生素无效。事实上，高能量水平被认为对他们的生存机会有害。

因此，当他们观察到存活的大肠杆菌细胞在抗生素存在下快速游动数小时时，研究小组感到惊讶。细菌通过旋转称为鞭毛的细长附属物游泳。鞭毛每秒通过穿过细胞膜的强电场旋转数百次。因此，实验表明，与传统观点相反，幸存者保持高电化学能量。

为了研究细胞能量与抗生素耐受性之间的相关性，研究人员用几种抗生素组合处理细胞。使用荧光染料和灵敏的光子检测技术，他们监测了存活细胞中的电化学能级。尽管细胞处于生长停滞状态，但出人意料地表现出广泛的能量。

接下来，研究小组确定了如果治疗被截断，幸存者对抗生素水平下降的反应。在单细胞水平上，他们发现一旦抗生素威胁被消除，具有高能量的细胞就会立即开始生长，这表明不完整的抗生素疗程的危险。

结果表明，一些细菌即使在抗生素攻击中也能幸存下来，即使它们既不休眠也不耐药。令人担忧的是，这些细菌保留了游出有害环境并迅速传播的能力。此外，高能量保留使他们能够以各种方式适应抗生素。

“大肠杆菌中为运动提供动力的能量来源也为许多转运体提供动力，通常称为外排泵，”Lele说。“这些转运蛋白可以将抗生素泵出细胞以减轻威胁。我们观察到的游泳细胞可能通过这种机制适应。

如果感染患者对初始抗生素干预无效，药物治疗通常涉及改用其他抗生素。根据Lele的说法，他们发现的迷人之处在于，当抗生素切换时，具有高能量的细胞比使用单一抗生素时更频繁地存活。

“我们的研究结果还表明，尽管在遗传上是相同的，但群体中的细胞可以并且确实采用不同的机制来适应抗生素应激，”Lele说。“如果治疗方案考虑到这种多样性，它们会有更好的结果。

该项目的研究人员包括Lele，Annie H. Lee，Rachit Gupta博士，Hong Nhi Nguyen，Isabella R. Schmitz和Deborah A. Siegele博士。