細菌形狀改變能抵禦抗生素 研究助了解抗藥性機制

試幻想你是細菌,要在一個充滿抗生素的世界中生存,可能需要基因突變,又或從環境、生物互動中偷取新的基因。不過,最新刊於《自然物理》的研究發現,細菌自身形狀的改變,也可避免遭抗生素殺死。

團隊以新月形柄杆菌 (Caulobacter crescentus) 作研究,這種細箘通常在淡水湖泊和溪流中出現,嗜低氧份環境,對有機養份循環與碳循環有一定作用。現時已知該菌不會造成人類疾病。

該個英美聯合團隊為了解新月形柄杆菌遇到抗生素後出現的反應,在培養皿加入少量廣譜抗生素氯黴素 (Chloramphenicol) ,然後觀察細菌生長和分裂。抗生素的量不足以殺死大多數細菌,只會減慢其生長速度。

經過約 10 代的低抗生素環境後,新月形梭菌開始出現物理變化,變長變寬並彎曲成 「C 」形,該菌生長速率上升到幾乎在氯黴素出現前的水平。

在 2019 年,另一組研究人員亦發現過類似情況,細菌可改變形狀避免成為人體內抗生素的目標。不過,當時所研究的細菌會將整個細胞壁脫落,令抗生素失效,而是次研究則顯示,新月形柄杆菌細胞壁仍保持完整,只是形狀變化極大,會彎曲成 「C 」形,甚至可幾乎變成一個圓形。

Credit: Shiladitya Banerjee

領導研究的美國卡內基梅隆大學生物物理學家 Shiladitya Banerjee 指,使用單細胞實驗和理論模型,證明了細胞形狀變化,是令細菌更適應抗生素環境的一種反饋策略。形狀變化可助細菌能夠克服抗生素壓力並恢復快速生長。

去除抗生素後,細菌經過幾代繁殖後會恢復原來的桿形。

團隊指,增加細胞寬度從而增加體積有助稀釋細菌內的抗生素量,而彎曲和增加細胞寬度均可降低表面體積比,從而使較少抗生素通過細胞表面。

團隊認為,這種新發現的對抗抗生素適應性機制,為往後的分子研究打開大門,探討細胞形狀在抗生素反應中的作用。尤其現時抗生素抗藥性問題嚴重,了解細菌如何用不同手段應對抗生素非常重要。

來源:
Science Alert, Bacteria Have Been Seen Literally Changing Shape to Avoid Antibiotics, 1 February 2021

報告:
Banerjee, S., Lo, K., Ojkic, N. & et al. (2021). Mechanical feedback promotes bacterial adaptation to antibiotics. Nat. Phys. doi: 10.1038/s41567-020-01079-x

文/Alan Chiu

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