图注：来源：AlexRatha/盖蒂图片社
贝勒医学院科学家主导的一项新研究表明，当细菌遭受抗生素攻击时，并非“各自为战”。研究团队在大肠杆菌（Escherichia coli）中构建了一套遗传系统，用于追踪细胞间的蛋白质转移过程。结果显示，细菌种群会以团队协作的方式抵御抗生素、共享资源，帮助静止或休眠细胞存活。借助高分辨率成像等多种技术，研究团队发现，抗生素处理可诱导不同大肠杆菌菌株之间、以及大肠杆菌与其他细菌物种之间发生蛋白质转移。
研究人员发现，抗生素会刺激细菌分化为两类群体：一类为囊泡产生细胞，另一类为蛋白质接收细胞；而蛋白质合成水平降低的抗生素持留菌（persister cell）可获取邻近细胞释放的蛋白质。该发现或可解释部分细菌难以清除的原因，同时为未来提升抗生素疗效提供潜在新方向。
“抗生素的作用机制是杀灭细菌或抑制其生长，”贝勒医学院分子与人类遗传学系、分子病毒学与微生物学系教授Christophe Herman博士表示，“但多数情况下，抗生素处理后会残留一小部分存活细菌。这些存活菌并不具有遗传性耐药性，而是暂时关闭了部分代谢通路，进入类休眠状态，从而耐受抗生素处理，后续可重新生长。明确持留菌的形成与维持机制是抗击慢性持续感染领域的核心难题之一。”
Herman是该团队发表于《科学》（Science）期刊的论文的资深作者与共同通讯作者，论文题为《抗生素可刺激蛋白质向持留细胞转移》，团队在论文中进一步阐释：“蛋白质摄取可提升受体细胞的抗生素持留能力，表明囊泡交换可促进抗生素处理过程中的细菌存活。”
科学界长期以来已知，细菌可通过共享耐药基因帮助彼此抵御抗生素。但正如论文作者所指出的：“目前学界已明确水平基因转移可传播抗生素耐药基因，但对水平蛋白质转移的机制与效应的认知仍十分有限。”
抗生素处理可刺激细菌产生囊泡，因此在本研究中，Herman及其团队探究了细菌是否也可直接共享蛋白质。既往研究提示细菌可实现蛋白质共享，但缺乏明确的实验证据。“为直接测定水平转移过程，我们在大肠杆菌中构建了包含供体菌株与受体菌株的遗传系统。”
论文第一作者、贝勒医学院麦克奈尔学者、Herman实验室医学科学家培养项目（MD/PhD）在读的Alice X. Wen进一步解释：“为检测蛋白质转移，我们基于大肠杆菌设计了一套高灵敏度检测系统。我们对一类细菌（供体）进行工程化改造，使其表达一种名为Cre的特殊重组酶；另一类同种细菌（受体）则携带一个遗传“开关”，仅当Cre蛋白进入受体细胞时，该开关才会发生翻转。”
利用这套系统，研究人员发现，当供体与受体细菌共同培养时，正常条件下蛋白质转移发生频率极低。与之相反，当细菌暴露于低浓度、非致死剂量的抗生素时，蛋白质转移频率提升了数千倍。“随后我们探究了蛋白质在细胞间的转运机制，”Wen表示，“我们发现，移除供体细胞、仅保留其生长的培养液时，转移过程仍可发生。这排除了直接细胞接触的介导作用，提示转移是通过释放到环境中的某种介质实现的。”
结合生化技术与先进显微成像技术，研究团队发现蛋白质是通过微型膜囊泡进行转运的。这些结构看起来类似微型气泡，由细菌细胞膜出芽脱落形成，可自由漂浮。“已有研究提出，携带蛋白质的细菌膜囊泡是水平蛋白质转移的介质，”研究人员指出，“此外，抗生素处理可刺激囊泡的产生。”
进一步分析实验系统后，研究团队发现受体细胞呈现出显著的休眠特征：这类细胞蛋白质合成速率减慢、代谢水平降低，且激活了与持留性相关的基因（如HipA）。“HipA活性较高的受体细胞更易摄取携带蛋白质的囊泡，进而在抗生素处理后存活，”Wen表示，“敲除HipA后，蛋白质摄取效率与细菌存活率均出现下降。”
蛋白质转移还可帮助休眠细菌在暴露于致死剂量抗生素后存活：即在抗生素处理前提升细胞暴露的囊泡浓度，可提升细菌存活率。“蛋白质摄取可提升受体细胞的抗生素持留能力，表明囊泡交换可促进抗生素处理过程中的细菌存活，”论文作者指出。研究结果提示，转移的蛋白质可帮助休眠细胞在自身蛋白质合成关闭的情况下耐受应激。“尽管持留菌蛋白质合成水平降低，但它们可从活跃的邻近细胞获取核糖体组分、代谢酶或DNA修复因子等关键蛋白质，从而耐受蛋白质组损伤型应激。”
“我们的研究表明，抗生素可促使遗传背景完全一致的细菌群体分化为两类截然不同的亚群：一类为供体细胞，响应抗生素刺激并释放携带蛋白质的囊泡；另一类为受体细胞，进入休眠状态但具备摄取囊泡中蛋白质的能力，从而提升存活概率，”Herman表示，“这种团队协作模式可让细菌种群中的脆弱个体在潜在致死性的抗生素攻击下存活。”
研究人员计划进一步鉴定囊泡中可提升受体细胞持留性的蛋白质组分。明确细菌间的供体-受体相互作用为抗击慢性持续感染开辟了新路径。论文作者在结论中表示，该研究“……揭示了抗生素可刺激细菌分化为囊泡产生细胞与蛋白质接收细胞两类不同亚群，使得蛋白质合成水平降低的抗生素持留菌可获取活跃邻近细胞分泌的蛋白质。未来可通过抑制或劫持水平蛋白质转移过程，开发清除持留菌的新策略。”
【专业注释】
1. 持留菌：非遗传性耐受抗生素的细菌亚群，可诱发慢性感染
2. Cre重组酶：位点特异性重组酶，广泛用于遗传示踪实验
3. 水平蛋白质转移：细菌间非亲子代的跨细胞蛋白质传递过程