抗生素是20世紀偉大的醫(yī)學發(fā)明,可以治療各種由細菌性感染導致的疾病,自問世以來拯救了無數(shù)生命。
但生物都是不斷進化的,細菌也是一樣。人類為了治病使用抗生素殺滅細菌,狡猾的細菌,便使出渾身解數(shù),神出鬼沒,試圖對抗抗生素——這種現(xiàn)象就是細菌耐藥。
今天我們就來看一看,為了謀生存,詭計多端的細菌都會使用哪些伎倆。
一、面對抗生素 我天生耐藥
我們細菌家族中的一些成員,由于自身的細胞結(jié)構(gòu)或功能特點,天然具備著對特定抗生素的耐藥性。例如,用于治療危及生命的革蘭氏陽性菌感染的達托霉素,卻對一字之差的革蘭氏陰性菌無能為力。原因是這兩類細菌的細胞質(zhì)膜組成不同,革蘭氏陰性菌的細胞膜較難被達托霉素破壞,所以它天然耐藥。
我們細菌的保守基因中還可能存在與耐藥性相關(guān)的基因。當抗生素沒有出現(xiàn)時,這些基因肩負著與耐藥無關(guān)的功能,但當面對抗生素時,它們的存在就如同給我們披上了盔甲,賦予了我們抵御抗生素的能力。
二、為了獲得耐藥性 我竭力改變自己
如果我們沒能天生具有耐藥的本領(lǐng),后天就會非常努力,或“幻化”自身,或奉行“拿來主義”——捕獲其他細菌中的耐藥基因,來獲得耐藥性,我們常用的手段有4種。
手段一:大門緊閉 嚴控輸入
一些抗生素會借助外膜孔蛋白的作用進入細菌的細胞,為此我們會改變自身細胞的通透性,通過突變將編碼孔蛋白的基因改變。比如,令孔蛋白不能正確編碼,抑制其表達,降低其產(chǎn)生數(shù)量,也可通過替換孔蛋白來限制抗生素的入侵。
手段二:內(nèi)部疏導 及時排出
有時,一旦抗生素不幸進入我們的細胞,我們可以利用外排泵,將其主動轉(zhuǎn)運出細胞,來降低細胞內(nèi)抗生素濃度。一些外排泵識別特異性較強,只能排出少數(shù)可識別的抗生素。所幸,另一些外排泵可將多種結(jié)構(gòu)上不同的底物排出細胞,且當外排泵表達量上升時,便可實現(xiàn)對多種抗生素更高的耐藥能力。
手段三:喬裝打扮 不被識別
當抗生素通過與我們細胞內(nèi)特定靶標結(jié)合的方式來攻擊我們,我們就可能發(fā)生突變,給抗生素靶標分子整容“變臉”,令其不被抗生素識別。除了“變臉”,還可以給靶標分子改變造型——添加一些“裝飾”分子來阻止二者結(jié)合。即使靶標不幸被抗生素結(jié)合,一些聰明的同胞也可以從其他細菌中獲得與抗生素靶標相似的基因,作為替補隊員,代為發(fā)揮正常的功能,繼續(xù)茁壯成長。
手段四:狹路相逢 重拳出擊
當然,我們細菌并非一味被動,也會向抗生素發(fā)起正面攻擊,產(chǎn)生多種水解酶令其失活。這類酶通常會位于我們的一個秘密武器——質(zhì)粒上。質(zhì)粒就像一輛汽車,會帶著水解酶在細菌間穿梭、擴散,使大家都獲得耐藥性。我們甚至會給抗生素改頭換面,添加分子修飾它們,進而屏蔽它們的作用位點使其喪失攻擊我們的武器。
三、我們?nèi)翰呷毫?努力提高耐藥性
上面介紹了我們跟抗生素單打獨斗的手段,再來說說我們是如何通過群體間不同物種之間的相互作用,對抗生素群起而攻之的。
水解酶失活 全體獲益
我們的細菌個體可以通過產(chǎn)生水解酶使抗生素失活,而當細菌在群落中使用“水解大法”時,不僅它自身可以逃過一劫,群落中其他原本瑟瑟發(fā)抖的細菌,也會因環(huán)境抗生素濃度下降而存活。
撐起生物膜“保護傘”
細菌在特定條件下可以形成生物膜,使整個群落聚集并包裹在一張由多糖、蛋白組成的膜狀物之下,如同撐起“保護傘”,將抗生素阻隔在外。
菌種間交流感應 互為補充
群落中的細菌是個有愛的大集體,會互相幫助以提高整體耐藥性。我們可以感應其他同胞分泌的各種化合物(信號分子),互補配合,調(diào)控基因表達,耐藥能力大大提升。
此外,細菌間協(xié)同合作與抗生素斗智斗勇的招式,可以同時使用哦!耐藥本領(lǐng)就可以整體增強!
四、科學家另辟蹊徑 連環(huán)阻擊耐藥菌
面對擁有多種耐藥能力的細菌,科學家們發(fā)起了連環(huán)阻擊。
1.研發(fā)新型抗生素
針對細菌生存的必需途徑設(shè)計了一種酶抑制劑,不僅可以阻斷其生長,殺死細菌,還可以激活宿主免疫反應,可謂雙管齊下。
2.“以毒攻毒”
即遵循自然法則,利用細菌的“天敵”噬菌體來治療耐藥細菌感染。噬菌體只入侵特定的細菌,將其應用于耐藥細菌疾病的治療,既可以實施精準打擊,又不會給人體帶來副作用,是目前的科研熱點。
3.對耐藥菌跟蹤追擊
科學家采用人工智能和機器學習的方法,對耐藥數(shù)據(jù)進行深度挖掘,建立由基因序列對抗生素耐藥表型進行預測的方法,實現(xiàn)了細菌耐藥的快速檢測。
我們應該提高對細菌耐藥性的認知,和家人一起正確、謹慎使用抗生素,避免細菌耐藥性的蔓延。(作者單位:中國科學院微生物研究所)
責任編輯:賀治瑞