理解為什么細(xì)菌變得抗生素抗性的核心是了解細(xì)菌如何對(duì)試圖殺死它們的藥物做出反應(yīng)。在一項(xiàng)新的研究中，波士頓學(xué)院的研究人員報(bào)告說，抗生素會(huì)破壞致命細(xì)菌的遺傳防御反應(yīng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)面臨一種普遍的或歷史性的威脅，例如剝奪營(yíng)養(yǎng)素時(shí)，致命的細(xì)菌肺炎鏈球菌會(huì)產(chǎn)生高度有組織的反應(yīng) - 一種受細(xì)菌遺傳進(jìn)化影響并受到與壓力協(xié)同作用的基因驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)。但是，當(dāng)面對(duì)抗生素- 一種相對(duì)較新的壓力形式時(shí) - 根據(jù)“抗生素破壞病原菌中轉(zhuǎn)錄和表型應(yīng)激反應(yīng)之間的協(xié)調(diào)”的研究，這種細(xì)菌進(jìn)行了混亂的防御，今天發(fā)表在Cell Reports上。

“我們表明，營(yíng)養(yǎng)壓力會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的高度組織化反應(yīng)，”該研究的首席研究員Tim van Opijnen副教授說。“它基本上似乎認(rèn)識(shí)到壓力，并知道如何處理它。

“但對(duì)抗生素的反應(yīng)非?；靵y，表明該生物體有這種壓力的困難，嘗試各種不相關(guān)的東西來解決問題并克服壓力，”他說。“這表明細(xì)菌對(duì)抗生素的熟悉程度要低得多，而不是'知道'如何做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。”

Van Opijnen的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究有助于建立對(duì)細(xì)菌如何依賴基礎(chǔ)遺傳網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用的理解，該研究結(jié)果可能會(huì)促進(jìn)新藥的開發(fā)，并有助于預(yù)測(cè)細(xì)菌如何進(jìn)化，適應(yīng)并對(duì)抗生素產(chǎn)生抗藥性。

Van Opijnen和共同作者，BC博士生Karen Zhu和現(xiàn)任伊利諾伊大學(xué)的前博士后研究員Paul Jensen將大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與他們開發(fā)的新的大規(guī)模計(jì)算模型相結(jié)合洞察并挑戰(zhàn)一些長(zhǎng)期以來關(guān)于細(xì)菌與旨在治療它們的藥物之間相互作用的假設(shè)。

肺炎鏈球菌每年導(dǎo)致大約150萬人死亡。在先前的研究中，van Opijnen及其同事已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同的細(xì)菌菌株對(duì)抗生素有獨(dú)特的反應(yīng)。這一次，研究小組研究了菌株對(duì)不同壓力因素的反應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)采用了兩種分析方法 - 一種在使用多年，另一種在van Opijnen實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)。

該團(tuán)隊(duì)使用稱為RNA測(cè)序(RNA-Seq)的過程來評(píng)估激發(fā)變化的細(xì)菌基因，這一過程稱為轉(zhuǎn)錄。長(zhǎng)期以來，這項(xiàng)活動(dòng)一直被視為了解細(xì)菌如何對(duì)抗抗生素和其他壓力因素的核心。

該團(tuán)隊(duì)將該分析與其自身的技術(shù)配對(duì)：轉(zhuǎn)座子插入測(cè)序或Tn-Seq。Tn-Seq由van Opijnen開發(fā)，通過數(shù)百萬個(gè)基因序列梳理細(xì)胞中的單基因功能。Tn-Seq的優(yōu)勢(shì)在于它能夠開??始確定哪些基因起著最重要的防御作用。

在兩年多的時(shí)間里，該團(tuán)隊(duì)的RNA-Seq實(shí)驗(yàn)分析了8億個(gè)基因序列并產(chǎn)生了150,000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。朱說，Tn-Seq分析了12億個(gè)序列，產(chǎn)生了3億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

“RNA-Seq研究了生物體基因組中每個(gè)基因的活性，”van Opijnen說。“每個(gè)基因的活動(dòng)一直與重要性有關(guān)。近三十年的假設(shè)是，如果你采取有機(jī)體并強(qiáng)調(diào)它，基因的活動(dòng)發(fā)生變化，它必定是重要的。”

van Opijnen說，這個(gè)假設(shè)很難測(cè)試。但是對(duì)于Tn-Seq，van Opijnen有能力評(píng)估基因在特定條件下的重要性。

“我們發(fā)現(xiàn)你不能認(rèn)為基因活性的改變意味著基因是重要的，”van Opijnen說。他說，這是一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。畢竟，如果對(duì)生物體的生存不重要，為什么會(huì)發(fā)生基因活動(dòng)的變化呢?

van Opijnen說，部分答案可能是基因在細(xì)菌菌株整個(gè)基因組中起作用的協(xié)作性質(zhì)。“他們合作并證實(shí)了執(zhí)行功能，以解決特定的表型，”他說。“所以有一種關(guān)系，因?yàn)榛蛟谕坊蚓W(wǎng)絡(luò)中都相互協(xié)作;它們相互合作。”

研究人員構(gòu)建了對(duì)剝奪的協(xié)調(diào)反應(yīng)的代謝模型，使響應(yīng)基因彼此非常接近。當(dāng)用抗生素進(jìn)行挑戰(zhàn)時(shí)，該模型顯示物理網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)在解體中崩潰，并且這些基因不再接近。

“細(xì)菌利用這些類型的規(guī)則來對(duì)抗壓力，”朱說。“在營(yíng)養(yǎng)枯竭方面，因?yàn)樗麄冊(cè)谶M(jìn)化過程中對(duì)這種類型的壓力做出了反應(yīng)，細(xì)菌'知道'如何協(xié)調(diào)這種活動(dòng)。但是，如果有一種相對(duì)較新的侵入性應(yīng)激源，如抗生素，細(xì)菌可能不是能夠找到一種產(chǎn)生協(xié)調(diào)反應(yīng)的方法。“

為了尋找某些類型的細(xì)菌對(duì)抗生素產(chǎn)生抗藥性的原因，研究人員已經(jīng)建立了一種新的方法來理解為什么抗生素成功抵抗細(xì)菌感染。

“通過結(jié)合計(jì)算和大規(guī)模實(shí)驗(yàn)工作，我們建立了一個(gè)模型，以便首先了解細(xì)菌如何處理已知和未知的壓力，”van Opijnen說。“這很關(guān)鍵，因?yàn)樗顾蔀槲磥砟硞€(gè)時(shí)期新干預(yù)措施的墊腳石。如果我們能夠理解壓力是如何被處理的，我們可以想出一種更好的方法來開發(fā)一種新的壓力源來打破有機(jī)體，或根除它。”