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)致食物中毒的細菌之一。這樣的研究已導(dǎo)致人們開發(fā)出穿過細菌的保護性細胞壁來殺死它們的眾多抗生素。

如今，在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學(xué)等研究機構(gòu)的研究人員報道科學(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入細菌細胞。但是正如這項新的研究顯示的那樣，外膜在物理上保護細胞，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，而且實際上比細胞壁更強。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，那么傳染性細菌將會通過以其他方式破壞細胞的抗生素治療加以事先削弱。”

化學(xué)盾牌（chemical shields）

所有細菌都有一個包圍并保護它的內(nèi)部的細胞壁。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菌都有一個額外的被稱作外膜的層來包圍著它們的細胞壁。

自外膜被發(fā)現(xiàn)以來，它就已被用于將細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)的細菌。具有外膜的細菌不會對這種化學(xué)染色作出反應(yīng)而被稱為革蘭氏陰性菌。具有裸露細胞壁的細菌對這種化學(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)利用抗生素處理細胞時，這容易成為一種煩心的事兒。”

驚人的強度

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。在一項實驗中，Huang實驗室移除了大腸桿菌的細胞壁，但保留了它的外膜完整性。不出所料，這種細菌失去了它們的黃瓜形狀而聚集成團塊。但是這個團塊中的很大一部分細菌會存活下來、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)致細胞壁大幅地縮小，相反，他們發(fā)現(xiàn)這種外膜的強度足以維持幾乎完整的大腸桿菌黃瓜形狀。

在其他實驗中，這些研究人員讓大腸桿菌細胞經(jīng)歷兩小時的壓力快速增加和降低。大腸桿菌細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，細菌細胞快速地死亡。Huang說，“一種強大的外膜的存在與否是生與死的區(qū)別。”

這些實驗鑒定出一些讓外膜具有驚人的強度的組分。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菌。

Huang補充道，這項研究屬于一個新興的被稱作機械生物學(xué)（mechanobiology）的研究領(lǐng)域。雖然科學(xué)家們曾將細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