研究人員揭示了具有相同基因型的細菌如何顯示不同表型的機制
細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)從細胞中泵出來解毒細胞。
他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)一種細菌分成兩部分時,泵蛋白就會分布,因此一種細胞比另一種細胞遺傳更多的泵蛋白。在低濃度的抗生素中,遺傳更多泵蛋白的細菌細胞生長更快。分配泵蛋白是在細菌群體中實現(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)”雜志上的這項研究是由一位跨學(xué)科二人組成的:一位實驗主義者Tobias Bergmiller,以及來自IST奧地利C?lin Guet和GašperTka?ik小組的理論家Anna Andersson。
細菌群體由數(shù)千種個體細菌組成,所有細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,這是由于細胞中的隨機過程影響遺傳指令的使用方式。對于細胞質(zhì)中的蛋白質(zhì),細胞內(nèi)的液體,這些隨機分子過程包括蛋白質(zhì)分解的差異,或隨機分配到細胞分裂過程中形成的兩個細胞中。在目前的研究中,研究人員研究了圍繞細胞的細胞包膜中的蛋白質(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胞中泵出的主要蛋白質(zhì)復(fù)合物。它存在于細胞包膜中,其中蛋白質(zhì)聚集在一起作為“島”。與細胞溶質(zhì)不同,蛋白質(zhì)通常通過擴散充分混合,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胞極,即棒狀細菌如大腸桿菌的圓形末端。在這些細菌中,細胞分裂“天生”的細胞可以通過其兩極來區(qū)分。一個細胞,即母細胞,保留了一個源自過去分裂的舊細胞極,其中外排泵蛋白形成穩(wěn)定的簇。
作者表明,AcrAB-TolC在母細胞中的這些舊細胞極上積累。這些母細胞可以比沒有遺傳舊細胞極的子細胞更有效地泵出藥物。在低濃度的抗生素下,母細胞比子細胞生長得更快?;谶@些觀察結(jié)果,研究人員開發(fā)了一個數(shù)學(xué)模型,以確定藥物泵的偏差分配如何影響細菌種群。他們發(fā)現(xiàn)能迅速抽出藥物的母細胞變得更加普遍。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)。這種低濃度在自然界中越來越多在藥物治療過程中的生境或患者。事實上,關(guān)于抗生素選擇的研究發(fā)現(xiàn),我們研究的基因AcrAB被擴增。細菌群體的異質(zhì)性是通過藥物外排泵的偏向分配機制產(chǎn)生的,正如我們所做的那樣。在我們的研究中發(fā)現(xiàn),可能是細菌群體對抗生素抗性的一個墊腳石“。
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