對付抗生素：細菌多種方法進化出相同耐藥性

本文轉自《生物微流體》

隱藏的遺傳複雜性通過多種意想不到方式幫助細菌進化出對抗生素的耐藥性

華盛頓2014年9月9日 致病細菌能夠進化出抗生素耐藥性的能力，在世界範圍內對人類健康造成越來越多的威脅。科學家們現已發現，我們的微觀敵人也許比我們預計的還要狡猾， 它們在壓力環境中通過隱藏的基因變化促進迅速進化，並通過比我們預想的還要多的方式發展出對抗生素的耐藥性。一篇發表在美國物理聯合會出版的《生物微流體》雜誌上的新文章報導了該研究結果。

文章中，來自新澤西州普林斯頓大學的研究人員報導了他們發現的兩類相似的大腸桿菌菌株，如何通過截然不同的基因突變迅速發展出相似水平的抗生素耐藥性。能夠使用不同的方法解決相同的問題，明細菌能夠發展出多種多樣的基因武器對抗抗生素，使它們具有更強的應變能力從而更不易被消滅。

“細菌們很聰明——他們有很多隱藏的方式對抗壓力，包括重塑它們的基因組，”該科研團隊的領頭人，普林斯頓大學生物物理學家Robert Austin。

意識到細菌是會多麼有效地對抗藥物令人深思，Austin，“這教導我們在抗生素的使用方面一定要比現在更加謹慎小心。”

加速進化

Austin和他的同事專門致力於開發一些獨特的、充滿液體的微結構，來檢測細菌進化的理論。Austin強調，他們不使用試管和皮氏培養皿——那些均勻的環境只存在於“象牙塔”裏，他們所要建造的是那些在他們看來更好地模擬自然生態微環境的儀器。

研究團隊使用了一種定製的微流體儀器，它包含大約1000個相連的可供細菌種群生長的微生境。該儀器可生類似於與在細菌自然生存環境，如消化道和人體其他內部結構中所發現的複雜的食物梯度和抗生素。

“在複雜環境中，細菌抗藥性的生要遠比在試管實驗中來的迅速和複雜。”Austin。

在以往使用微結構儀器的實驗中，研究人員已經了解到一些普通的、野生型大腸桿菌菌株能夠很快的進化出抗藥性。另有一種叫GASP的突變菌株，它們在有限的營養物中比野生菌株繁殖的更快，研究人員想知道該突變菌株在接觸相同的抗生素時，是否會生出和野生菌株相同類型的抗藥性。

秘密武器揭曉

通過對接觸過抗生素環丙沙星(Cipro)的野生型和GASP突變型菌群的基因組排序，研究人員發現不同的基因變異可以導致相似水平的抗藥性。比如，在GASP中有兩種不同的突變菌株出現：一種抗藥的GASP菌株，它的進化方式是通過從感染細菌的病毒中“借用”DNA殘片，從而成為了不需要生物膜就可以在外界壓力中存活的菌株。另外一種抗藥GASP菌株沒有通過“嫁接”這一途徑，而是通過其他幾種方式最終也生了抗藥性。

病毒通常會把他們的DNA注射到細菌中去，這些DNA有時不再具有病毒複製的功能。通常情況下，這些DNA殘片對細菌既無助力也無阻力，但在壓力環境下，細菌可以利用新的DNA迅速地進化出抗藥性變異。

研究人員的結果，證實了細菌對抗壓力環境方法的多樣性和其狡猾之處，Austin。他想進一步了解我們現用的殺滅細菌的有效方法——比如用酒精消毒物體表面——是否也有其脆弱性，他的研究團隊計劃測試細菌能否在他們的儀器中進化出對酒精的抗藥性。

該研究文章 "You cannot tell a book by looking at the cover: cryptic complexity in bacterial evolution," is authored by Qiucen Zhang, Julia Bos, Grigory Tarnopolskiy, James C. Sturm, Hyunsung Kim, Nader Pourmand, and Robert H. Austin，於2014年9月9日，發表在《生物微流體》期刊上(DOI: 10.1063/1.4894410). 過此日期，可通過http://scitation.aip.org/content/aip/journal/bmf/8/5/10.1063/1.4894410 在訪問。

文章的作者來自普林斯頓大學，伊利諾大學厄巴納-香檳分校，加州大學聖克魯茲分校。

關於期刊

《生物微流體》是由美國物理聯合會出版的在開放訪問期刊。旨在對闡明與微流體，納米流體以及分子/細胞生物物理現象相關的基本物理化學機理之研究並予以迅速傳播，亦涵蓋最新微流體及納米流體技術在診斷，醫療，生物，製藥，環保，化工等領域內的應用。參http://bmf.aip.org/