Nature：揭示天然细菌杀手绿脓菌素杀死细菌机制
来源：本站原创 2020-04-21 12:56
2020年4月21日讯/生物谷BIOON/---科学家们在使用一种自然产生的纳米机器杀死细菌的目标上又近了一步，其中纳米机器是一种执行机械作用的微小颗粒。在一项新的研究中，来自美国加州大学洛杉矶分校等多个研究机构的研究人员描述了这种纳米机器如何识别和杀死细菌，并报告他们在原子分辨率下对它进行了成像。他们还设计了自己的纳米机器版本，这使得他们能够产生在行为上与
2020年4月21日讯/生物谷BIOON/---科学家们在使用一种自然产生的纳米机器杀死细菌的目标上又近了一步，其中纳米机器是一种执行机械作用的微小颗粒。
在一项新的研究中，来自美国加州大学洛杉矶分校等多个研究机构的研究人员描述了这种纳米机器如何识别和杀死细菌，并报告他们在原子分辨率下对它进行了成像。他们还设计了自己的纳米机器版本，这使得他们能够产生在行为上与自然版本不同的变体。相关研究结果于2020年4月15日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Action of a minimal contractile bactericidal nanomachine”。
他们的努力最终可能导致开发出能够靶向特定微生物物种的新型抗生素。与常规抗生素相比，专门用于杀死特定细菌物种或菌株的药物可能具有许多优势，包括降低细菌产生耐药性的可能性。此外，这些量身定制的药物可以消灭有害细胞而不会消灭肠道微生物组中的有益细菌，而且它们最终可能被用来防止细菌感染、杀死食物中的病原体并改造人体微生物组，从而让有益的细菌茁壮成长。
这项研究中涉及的纳米机器是R型绿脓菌素（R-type pyocin），是绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa, 也称为铜绿假单胞菌）释放的一种蛋白复合物，用来破坏与它竞争资源的细菌。当绿脓菌素识别出一种竞争细菌时，它会通过在细胞膜上打孔来杀死细菌。在土壤、水和新鲜农产品中发现了经常导致医院获得性疾病的绿脓杆菌。人们对这种细菌进行了广泛性研究，它的生物学特性已广为人知。
通过观察绿脓菌素在打孔前后的分子结构，他们发现了它识别猎物并发动致命一击的机制。
这项研究属于一门名为“生物启发工程”的学科，该学科旨在开发从自然界汲取设计灵感的技术。这项新研究的结果可能有助于开发基于绿脓菌素的靶向抗生素。
论文共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所纳米机器电子成像中心主任Z. Hong Zhou说，“如果你试图从头开始设计绿脓菌素，那么你很可能做不到这一点。向自然学习是一件好事，这是因为自然已经开发和测试了这些系统数十亿年。从工程的角度来看，这应该对我们有帮助。”
Zhou及其同事们使用两种成像技术：X射线晶体衍射和低温电镜（cryo-electron microscopy）。他们得到了电子显微镜最新进展的帮助，包括直接检测电子的高速相机，这种技术的先前版本间接检测电子，因此获得的分子结构细节较少。
正如这项新研究中所描述的，绿脓菌素是优雅而又简单的杀伤机器。领导这项新研究的研究人员在较早的研究中就描述了绿脓菌素的整体结构，但是缺乏详细的细节。绿脓菌素的最大部分是一个圆柱形的躯干，其包括围绕一个内管的外部护套，该内管正是打孔的部分。在躯干的底部是带有六个突出卷须的底板。当这种纳米机器遇到细菌细胞时，它会着陆在细胞表面上，而它的卷须会与细胞表面的特定结构结合。
在这项新的论文中，这些研究人员首次描述了位于绿脓菌素躯干顶部的六链项圈（six-stranded collar）。六链项圈连接外部护套和内管，对于绿脓菌素触发过程中的能量传输很重要。
这项新研究还提供了有关触发绿脓菌素的机械作用的以前未知的信息：当六个卷须中的至少三个结合到细菌细胞表面时，绿脓菌素会识别这个细菌细胞是旨在发生攻击的特定细菌类型。在这一点上，这些卷须将绿脓菌素锚定在细胞上，并导致它的底板张开。接着，这会导致外部护套塌陷，从而向下推动内管并穿过靶细胞的表面，即在靶细胞上打孔。除了打孔损伤本身之外，绿脓菌素的内管还从细菌细胞中吸收能量，这导致细胞死亡---这一细节之前已被揭示过。
论文共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校纳米系统科学教授Jeff F. Miller说，“这是一个受到精心调节的机械系统，可将对靶细胞的特异性识别与致命打击的部署结合起来。了解这个机械系统的构建方式以及如何控制它的活动可能有助于构建新型纳米机器。”
这些研究人员使用标准的分子生物学技术来改变绿脓杆菌的DNA，从而设计出了绿脓菌素的变体。其中的一些变体的触发对目标细菌表面结构及其环境或多或少敏感。比如，某些调整允许这种纳米机器克服它对酸性环境的脆弱性。实际上，在暴露于酸度为3.4的pH值时，绿脓菌素会自动触发，但是与天然版本相比，在该pH值水平下，经过改造的绿脓菌素变体很少会触发。
对绿脓菌素触发的敏感性进行调整的能力对根据这项新研究可能最终开发的抗生素产生了影响：致命性的全身感染可能会遇到“较宽松”的触发，这种触发对这种纳米机器攻击的细菌不大区分，而更具区分性的触发功能可能可用于靶向某些肠道感染而不会引起对肠道微生物组的附带损害。
由Miller共同创立的位于南旧金山的初创公司Pylum Biosciences（下称Pylum公司）的科学家参加了这项研究。Pylum公司设计了不同种类的绿脓菌素作为开发新疗法的基础，这些疗法仅攻击特定种类的细菌，同时克服了抗生素耐药性并防止了对有益细菌的损害。一种这样的疗法仅靶向攻击引起结肠炎的细菌。该疗法已在实验室和临床前动物模型中进行了测试，并正在计划在人类患者中进行临床试验。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Peng Ge et al. Action of a minimal contractile bactericidal nanomachine. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2186-z.
2.Bactericidal nanomachine: Researchers reveal the mechanisms behind a natural bacteria killer
https://phys.org/news/2020-04-bactericidal-nanomachine-reveal-mechanisms-natural.html
在一项新的研究中，来自美国加州大学洛杉矶分校等多个研究机构的研究人员描述了这种纳米机器如何识别和杀死细菌，并报告他们在原子分辨率下对它进行了成像。他们还设计了自己的纳米机器版本，这使得他们能够产生在行为上与自然版本不同的变体。相关研究结果于2020年4月15日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Action of a minimal contractile bactericidal nanomachine”。
图片来自Zhou Lab/UCLA。
他们的努力最终可能导致开发出能够靶向特定微生物物种的新型抗生素。与常规抗生素相比，专门用于杀死特定细菌物种或菌株的药物可能具有许多优势，包括降低细菌产生耐药性的可能性。此外，这些量身定制的药物可以消灭有害细胞而不会消灭肠道微生物组中的有益细菌，而且它们最终可能被用来防止细菌感染、杀死食物中的病原体并改造人体微生物组，从而让有益的细菌茁壮成长。
这项研究中涉及的纳米机器是R型绿脓菌素（R-type pyocin），是绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa, 也称为铜绿假单胞菌）释放的一种蛋白复合物，用来破坏与它竞争资源的细菌。当绿脓菌素识别出一种竞争细菌时，它会通过在细胞膜上打孔来杀死细菌。在土壤、水和新鲜农产品中发现了经常导致医院获得性疾病的绿脓杆菌。人们对这种细菌进行了广泛性研究，它的生物学特性已广为人知。
通过观察绿脓菌素在打孔前后的分子结构，他们发现了它识别猎物并发动致命一击的机制。
这项研究属于一门名为“生物启发工程”的学科，该学科旨在开发从自然界汲取设计灵感的技术。这项新研究的结果可能有助于开发基于绿脓菌素的靶向抗生素。
论文共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所纳米机器电子成像中心主任Z. Hong Zhou说，“如果你试图从头开始设计绿脓菌素，那么你很可能做不到这一点。向自然学习是一件好事，这是因为自然已经开发和测试了这些系统数十亿年。从工程的角度来看，这应该对我们有帮助。”
Zhou及其同事们使用两种成像技术：X射线晶体衍射和低温电镜（cryo-electron microscopy）。他们得到了电子显微镜最新进展的帮助，包括直接检测电子的高速相机，这种技术的先前版本间接检测电子，因此获得的分子结构细节较少。
正如这项新研究中所描述的，绿脓菌素是优雅而又简单的杀伤机器。领导这项新研究的研究人员在较早的研究中就描述了绿脓菌素的整体结构，但是缺乏详细的细节。绿脓菌素的最大部分是一个圆柱形的躯干，其包括围绕一个内管的外部护套，该内管正是打孔的部分。在躯干的底部是带有六个突出卷须的底板。当这种纳米机器遇到细菌细胞时，它会着陆在细胞表面上，而它的卷须会与细胞表面的特定结构结合。
在这项新的论文中，这些研究人员首次描述了位于绿脓菌素躯干顶部的六链项圈（six-stranded collar）。六链项圈连接外部护套和内管，对于绿脓菌素触发过程中的能量传输很重要。
这项新研究还提供了有关触发绿脓菌素的机械作用的以前未知的信息：当六个卷须中的至少三个结合到细菌细胞表面时，绿脓菌素会识别这个细菌细胞是旨在发生攻击的特定细菌类型。在这一点上，这些卷须将绿脓菌素锚定在细胞上，并导致它的底板张开。接着，这会导致外部护套塌陷，从而向下推动内管并穿过靶细胞的表面，即在靶细胞上打孔。除了打孔损伤本身之外，绿脓菌素的内管还从细菌细胞中吸收能量，这导致细胞死亡---这一细节之前已被揭示过。
论文共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校纳米系统科学教授Jeff F. Miller说，“这是一个受到精心调节的机械系统，可将对靶细胞的特异性识别与致命打击的部署结合起来。了解这个机械系统的构建方式以及如何控制它的活动可能有助于构建新型纳米机器。”
这些研究人员使用标准的分子生物学技术来改变绿脓杆菌的DNA，从而设计出了绿脓菌素的变体。其中的一些变体的触发对目标细菌表面结构及其环境或多或少敏感。比如，某些调整允许这种纳米机器克服它对酸性环境的脆弱性。实际上，在暴露于酸度为3.4的pH值时，绿脓菌素会自动触发，但是与天然版本相比，在该pH值水平下，经过改造的绿脓菌素变体很少会触发。
对绿脓菌素触发的敏感性进行调整的能力对根据这项新研究可能最终开发的抗生素产生了影响：致命性的全身感染可能会遇到“较宽松”的触发，这种触发对这种纳米机器攻击的细菌不大区分，而更具区分性的触发功能可能可用于靶向某些肠道感染而不会引起对肠道微生物组的附带损害。
由Miller共同创立的位于南旧金山的初创公司Pylum Biosciences（下称Pylum公司）的科学家参加了这项研究。Pylum公司设计了不同种类的绿脓菌素作为开发新疗法的基础，这些疗法仅攻击特定种类的细菌，同时克服了抗生素耐药性并防止了对有益细菌的损害。一种这样的疗法仅靶向攻击引起结肠炎的细菌。该疗法已在实验室和临床前动物模型中进行了测试，并正在计划在人类患者中进行临床试验。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Peng Ge et al. Action of a minimal contractile bactericidal nanomachine. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2186-z.
2.Bactericidal nanomachine: Researchers reveal the mechanisms behind a natural bacteria killer
https://phys.org/news/2020-04-bactericidal-nanomachine-reveal-mechanisms-natural.html
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