基因组庞大的“巨型”噬菌体可以作为对付抗生素耐药细菌的潜在工具

基因组庞大的“巨型”噬菌体可以作为对付抗生素耐药细菌的潜在工具随着抗生素的使用越来越频繁，细菌也在不断进化。它们变得更有能力战胜抗生素，使许多抗生素失去了作用。抗生素的有效性持续急剧下降，导致了今天的抗生素耐药性危机。巨型噬菌体的治疗潜力科学家们现在希望借助病毒这一非同寻常的盟友来应对这一日益严重的威胁。最近，研究人员重点研究了被称为噬菌体的病毒，将其作为治疗和解除抗生素耐药细菌的新工具。人们特别关注"巨型"噬菌体--最近发现的具有超大基因组的病毒--这种病毒可被用作特殊的递送剂，不仅能杀死细菌，还能将抗生素直接递送到感染源。但是，为了通过噬菌体提供新型疗法，科学家们必须首先了解这些神秘病毒内部非同寻常的生物构成和机制。PicA的图形图像，PicA是巨型噬菌体的一个关键部件，负责协调噬菌体核保护壳内的蛋白质运输。图片来源：加州大学圣地亚哥分校波格利亚诺实验室研究与结论加州大学圣地亚哥分校生物科学院的研究人员与加州大学伯克利分校创新基因组研究所和曼谷朱拉隆功大学的同事们在破译巨型噬菌体的几项关键功能方面迈出了实质性的一步。加州大学圣地亚哥分校生物科学院教授、新论文的资深作者乔-波利亚诺（JoePogliano）说："这些巨型噬菌体拥有庞大的基因组，理论上可以对其进行操纵，使其携带的有效载荷能够更有效地杀死细菌。问题在于它们的基因组是封闭的，因此不容易获取。但现在我们已经发现了其中的一些关键元素"。正如论文中所描述的，生物科学学院研究生蔡斯-摩根（ChaseMorgan）领导的研究主要集中在巨型Chimalliviridae噬菌体上，研究发现这种噬菌体通过形成一个类似于人类和其他生物体细胞核的腔室，在细菌内部进行复制。Chimalliviridae的类似细胞核的小室会分离并选择性地导入某些蛋白质，使其能够在宿主细菌内复制。但这一过程如何展开一直是令人费解的部分。巨型病毒phikzvirus或phiKZ可感染假单胞菌。资料来源：加州大学圣地亚哥分校波利亚诺实验室摩根和他的同事利用新的遗传学和细胞生物学工具，发现了一种关键蛋白，他们将其命名为"奇马拉维病毒A蛋白导入器"或PicA，这种蛋白就像一种夜总会保镖，有选择性地贩运蛋白质，允许一些蛋白质进入细胞核内部，但拒绝其他蛋白质进入。他们发现，PicA能够协调货物蛋白在噬菌体细胞核保护壳内的运输。摩根说："这种病毒能够建立起如此复杂的结构和运输系统，实在令人惊叹，我们以前从未见过这样的病毒。我们所认为的复杂生物学通常是保留给人类和我们数以万计基因的高等生命形式的，但在这里，我们在一个只有大约300个基因的相对微小的病毒基因组中看到了功能类似的过程。这可能是我们所知的最简单的选择性运输系统。"研究人员利用用于研究基因组的可编程RNA工具CRISPRi-ART，证明了PicA是Chimalliviridae细胞核发育和复制过程的重要组成部分。"如果没有RNA靶向CRISPR技术的简单性和多功能性，直接提出和回答这些问题几乎是不可能的。我们非常期待看到这些工具如何揭开噬菌体基因组编码的神秘面纱，"合著者、在诺贝尔奖获得者、CRISPR先驱珍妮弗-杜德娜（JenniferDoudna）手下工作的博士后学者本-阿德勒（BenAdler）说。生物科学学院研究生ChaseMorgan和EmilyArmbruster，PNAS论文的共同作者。图片来源：加州大学圣地亚哥分校波利亚诺实验室噬菌体疗法的意义数十亿年来，细菌和病毒一直在进行着一场军备竞赛，双方都在不断进化以对抗对方的适应性。研究人员说，复杂的PicA运输系统就是这种激烈、持续的进化竞争的结果。该系统进化得既高度灵活又具有高度选择性，只允许关键的有益元素进入细胞核。如果没有PicA系统，细菌的防御蛋白就会进入细胞核，破坏病毒的复制过程。霍华德-休斯医学研究所（HHMI）资助的"新兴病原体计划"（EmergingPathogensInitiative）和加州大学圣迭戈分校噬菌体创新应用与治疗中心的科学家们正在努力为最终通过基因编排噬菌体来治疗各种致命疾病奠定基础。论文共同作者、生物科学学院研究生艾米丽-阿姆布鲁斯特（EmilyArmbruster）说："我们以前确实不了解蛋白质导入系统是如何工作的，也不知道哪些蛋白质参与其中，因此这项研究是我们了解这些噬菌体成功复制的关键过程的第一步。我们对这些重要系统了解得越多，就越能更好地设计出用于治疗的噬菌体。"这类基因编程病毒的未来目标包括铜绿假单胞菌，众所周知，这种细菌可导致潜在的致命感染，并对医院中的病人构成威胁。其他有希望的目标还包括大肠杆菌和克雷伯氏菌，它们会引起慢性和复发性感染，在某些情况下还会进入血液，危及生命。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430589.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430589.htm

创新的疾病控制技术：合成“隔间”阻止病原体共享抗生素抗性基因

创新的疾病控制技术：合成“隔间”阻止病原体共享抗生素抗性基因杜克大学生物医学工程师开发了一种控制细胞过程的新合成方法。该方法涉及指导细胞建立调节生物分子功能的隔间，而不是直接与细胞机械互动。这种方法可以影响细菌之间的遗传指令传播和哺乳动物细胞中的蛋白质回路，有可能导致理解和对抗疾病和抗生素抗性病原体的新策略。研究人员证明，他们的方法可以影响两个细胞过程，一个负责在细菌中传播遗传指令，另一个负责调节哺乳动物细胞中的蛋白质回路。这些结果可能被证明对开发新的战略以了解和对抗疾病或阻止抗生素抗性病原体的传播是非常宝贵的。该成果今天（2023年2月6日）在线发表于《自然-化学生物学》杂志。这些红色斑点是荧光的合成隔间，由活细胞自身的生物机器建造，以控制其生物分子行为。资料来源：戴一凡，杜克大学戴一凡是一名博士后研究员，在杜克大学生物医学工程系AlanL.Kaganov特聘教授AshutoshChilkoti的实验室和生物医学工程系JamesL.Meriam特聘教授LingchongYou的实验室工作，他胡搜："一个活细胞就像一碗浓稠的面汤，细胞中生物分子的密度有时被描述为把地球上的每个人都放入大盐湖。"戴说："琥珀的形成有时会将动物锁住并保存数千年，因为它与周围环境相比具有独特的材料特性。科学家们认为，也许细胞可以对信息做同样的事情。"生物微机械通常依赖于所谓的"锁和钥匙"机制，其中一个蛋白质、基因链或其他生物大分子的形状和大小恰好可以与其目标结构相互作用。因为这些是最容易和最明显的研究和重现的过程，几乎所有的生物医学研究都集中在其庞大而复杂的机械网络。但是，由于细胞中密布着这种生物分子机械，而且它们需要控制活动以应对整个生命过程中的不同需求，科学家们长期以来一直怀疑它们必须有方法来调控活动。但直到2009年，研究人员才发现了这样一种方法的机制，称为相分离介导的生物凝集物。生物凝结物是细胞可以建立的小隔间，将某些蛋白质和分子分离或困在一起，阻碍或促进其活动。研究人员刚刚开始了解冷凝物是如何工作的，以及它们可以用来做什么。创建一个可以告诉细胞创建这些生物分子笼子的合成版本的平台是朝着这两个目标迈出的一大步。本研究最值得关注的部分是过去研究中出现的规则在指导这些冷凝物的物理特性的合理工程方面的有效性，而这些冷凝物又在活细胞中有效地工作，尽管有许多与细胞内环境有关的干扰因素。在这篇论文中，Dai、Chilkoti、You和他们来自圣路易斯华盛顿大学GeneK.Beare生物医学工程杰出教授和生物分子凝集物中心主任RohitV.Pappu实验室的同事，展示了创建一套合成的遗传指令，使细胞创建不同类型的凝集物以捕获各种生物分子过程。在一个例子中，他们建立了凝结物，阻止被称为质粒的DNA小包在细菌之间传播，这个过程被称为水平基因转移。这个过程是病原体用来传播对抗生素的抗性的主要方法之一，阻止它的发生可能是打击"超级细菌"的产生和扩散的关键一步。研究人员还表明，他们可以用这种方法来控制大肠杆菌中DNA转录成RNA的过程，通过将不同的因素聚集在一起，有效地放大特定基因的表达。他们进一步展示了这种方法在哺乳动物细胞中调控蛋白质电路。调控特定基因的活性和蛋白质的活动可能是对抗各种疾病，特别是遗传性疾病的一个有用方法。"这篇论文表明，我们作为生物医学工程师，可以从头开始设计新的分子部件，说服细胞制造这些部件，并在细胞内组装这些部件以制造新机器，"Chilkoti说。"这些合成的凝结物然后可以在细胞内被打开，以控制细胞的功能方式。这篇论文是一个新兴领域的一部分，它将使我们能够以新的和令人兴奋的方式重新编程生命。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1342921.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1342921.htm

"分子楔子"使超级细菌再次易受抗生素攻击

"分子楔子"使超级细菌再次易受抗生素攻击在人类历史的大部分时间里，细菌感染是生活中常见的一部分，而且往往是致命的。但在20世纪初，科学家们发现了一类新的抗菌药物，首先是青霉素。这些抗生素帮助科学家和医生比以往任何时候都更安全、更有效地进行手术，并降低了肺结核等感染的致命性。当然，事情并没有那么美好。细菌具有很强的适应能力，对我们投掷的每一种药物都能迅速进化出防御能力，因此我们不得不不断开发新的药物。随着时间的推移，我们已经耗尽了我们的武器库，以至于现在出现了"超级细菌"，它们对我们的每一种抗生素都具有完全的抗药性，而新抗生素的生产线正在枯竭。这威胁着我们的未来，曾经司空见惯的感染可能再次变得致命。现在，科学家们展示了一种对抗细菌最有效防御策略之一的新方法。一些物种已经进化出了外排泵--细菌膜上的蛋白质可以冲走试图进入细胞的抗生素分子。迄今为止，这对超级细菌来说一直很有效，但研究小组现在发现了能有效抑制这些外排泵的分子。科学家们发现，这些抑制剂就像一个"分子楔子"，将自己楔入细菌的内外细胞膜之间。这就阻止了泵的蛋白质部分因药物的存在而相互发送信号，从而让抗生素在细胞内发挥作用。研究小组说，这些分子可以与现有的抗生素一起使用，使药物再次发挥效力。这项研究的主要作者海伦-兹古尔斯卡娅（HelenZgurskaya）说："我们已经生活在一个后抗生素时代，除非在临床上找到解决抗生素耐药性的新办法，否则情况会变得更糟。"我们的发现将促进新疗法的开发，帮助缓解迫在眉睫的危机。"这项研究发表在《自然通讯》（NatureCommunications）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374363.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374363.htm

新研究揭示了耐抗生素的细菌的分子"超能力"

新研究揭示了耐抗生素的细菌的分子"超能力"艰难梭状芽孢杆菌的插图，具有丰富的鞭毛。科学家们在艰难梭菌中发现了一种增强其抗生素抗性的双重机制，这可能为针对抗性细菌的更有效的治疗策略铺平道路。来自抗生素耐药菌的威胁是众所周知的，因为它很严重。去年，《柳叶刀》杂志报道，2019年估计有127万人死于无法用现有药物治疗的细菌感染。为了应对这一威胁，了解基础的分子机制是至关重要的。在抗生素治疗期间，正常的肠道菌群被扰乱，这为耐抗生素的细菌病原体提供了机会，否则这些细菌会通过与"良好"的肠道细菌竞争而被抑制。最有问题的细菌种类之一是艰难梭状芽孢杆菌，即C.diff。它存在于我们的肠道中，对抗生素治疗有抵抗力，并能引起严重的腹泻感染。这种细菌产生孢子的能力意味着它很容易传播，因此在医疗环境中造成问题，导致死亡率增加和治疗时间延长。VasiliHauryliuk说："在这种情况下，抗生素不是在拯救你，而是在促进二次细菌感染。众所周知，在使用一种叫做克林霉素的抗生素治疗后，感染C.diff的风险会增加，但其原因不明。"筑波大学助理教授、该研究背后的研究人员之一ObanaNozomu说："我们的研究显示，一种新型蛋白质传达了对克林霉素所属的抗生素类的抗性。"瑞典、日本、英国、美国、爱沙尼亚和德国的研究人员在一次国际合作中对C.diff的抗药性机制进行了调查，这项研究的结果已经发表在《核酸研究》上。当研究人员确定了一个负责抗性的新型蛋白质。该蛋白在核糖体上工作--核糖体是生产细菌中蛋白质的分子工厂，使细菌具有能力。核糖体是抗生素的主要目标之一：如果不能合成蛋白质，细菌就不会生长、复制并导致感染。"这种新发现的蛋白质将抗生素分子从核糖体中踢出来。我们还看到，它与另一个抗性因子结合。第二个因素对核糖体进行化学修饰，使抗生素分子与它结合得不那么紧密。"隆德大学高级讲师、这篇文章的共同作者GemmaC.Atkinson说："超强的抗性是两种机制、两种因素结合的结果，这样一来，细菌就拥有了对抗抗生素的'超级力量'。"研究人员使用低温电子显微镜，以便在分子水平上研究对抗生素的抗性机制。这一知识为对抗抗药性和细菌引起的感染的新治疗策略开辟了道路。"几年前，哈佛大学的AndrewG.Myers实验室已经开发了新一代核糖体结合抗生素，被称为伊博霉素。这是一种非常有效的药物，可以击倒'普通'的C.diff细菌。然而，这项研究的结果显示，具有这两种抗性因素的C.diff菌株，不幸的是，对这种抗生素也有抗性。这意味着有必要设计出结合得更紧密的抗生素分子，以克服这种抗性。"VasiliHauryliuk说："我们现在与迈尔斯小组在这个方向上进行合作。"这项研究还发现，某些针对核糖体的抗生素会诱发抗性因子的产生。这也可能为设计新的抗生素分子提供线索，因为如果不合成抗性因子就不能诱发抗性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360221.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360221.htm

科学家正尝试将水熊虫蛋白植入人类细胞

科学家正尝试将水熊虫蛋白植入人类细胞怀俄明大学的研究人员领导的一项新研究发现，在人体细胞中表达关键的水熊虫蛋白会减缓新陈代谢，这为了解这些难以被杀死的无脊椎动物如何在最极端的条件下生存提供了重要的启示。研究小组重点研究了一种名为CAHSD的特殊蛋白质，众所周知，这种蛋白质可以防止极端干燥（脱水）。通过各种方法，研究人员展示了CAHSD在受到压力时如何转变成凝胶状，从而保护分子并防止干燥。研究人员在发表的论文中写道："这项研究深入揭示了水熊虫以及其他潜在的耐干燥生物是如何利用生物分子凝结在干燥环境中存活下来的。除了应激耐受性，我们的研究结果还提供了一条途径，可以围绕诱导细胞甚至整个生物体的生物稳态来开发技术，从而延缓衰老并增强储存和稳定性。"迟发型生物已经证明，它们可以在酷热和严寒的环境中生存，可以在对人类致命的高辐射环境中生存，也可以在长期缺水的环境中生存--水通常是生命的必需品。它们甚至可以在太空中生存。先前的研究揭示了水熊虫历经数亿年积累起来的令人印象深刻的生存技巧。从根本上说，在CAHSD的帮助下，它们非常善于减缓生命进程，而这对人类细胞也可能有用。怀俄明大学的分子生物学家西尔维娅-桑切斯-马丁内斯说："令人惊讶的是，当我们将这些蛋白质引入人体细胞时，它们会凝胶化，减缓新陈代谢，就像在水熊虫体内一样。当把含有这些蛋白质的人类细胞置于生物静止状态时，它们会变得更能抵抗压力，从而把水熊虫的一些能力赋予人类细胞。"在未来的某一天，我们也许能找到方法，将这种惊人的水熊虫复原力传递给我们自己的细胞和组织，从而有可能减缓生物衰老，并有助于在低温条件下安全储存细胞的治疗，例如器官移植。要利用这种能力的转移，还需要大量的进一步研究，目前已经在进行一些研究，探讨水熊虫蛋白能否稳定用于治疗遗传疾病的重要血液制品。早期迹象表明，在多个领域，包括当环境压力存在时，这种蛋白质会被智能地激活，而当环境压力不存在时，这种蛋白质又会失活。怀俄明大学分子生物学家托马斯-布斯比（ThomasBoothby）说："当压力得到缓解时，水熊虫凝胶就会溶解，人体细胞就会恢复正常的新陈代谢。"这项研究发表在《蛋白质科学》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425628.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425628.htm

科学家发现解除危害植物的微生物蛋白家族的潜在方法

科学家发现解除危害植物的微生物蛋白家族的潜在方法现在，在三个合作研究小组的共同努力下，他们终于找到了这些分子如何使植物生病的答案，以及解除它们的方法。相关研究成果于9月13日发表在《自然》（Nature）杂志上。实验室的研究人员研究的是这种致命鸡尾酒的关键成分，即名为AvrE/DspE的注射蛋白家族，它们会导致从豆类的褐斑病、番茄的细菌斑点到果树的火疫病等各种病害。自从20世纪90年代初被发现以来，研究植物病害的人就对这个蛋白家族产生了浓厚的兴趣。它们是细菌武库中的关键武器；在实验室中消灭它们，就能使原本危险的细菌变得无害。但是，尽管经过几十年的努力，关于它们如何工作的许多问题仍然没有答案。研究人员发现，AvrE/DspE家族中的许多蛋白质都能抑制植物的免疫系统，或在植物叶片上形成水渍状黑斑--这是感染的最初征兆。他们甚至知道氨基酸的基本序列，这些氨基酸就像串珠一样连接成蛋白质。但他们不知道这串氨基酸是如何折叠成三维形状的，因此无法轻易解释它们是如何工作的。问题的部分原因在于这个家族的蛋白质非常庞大。一般的细菌蛋白质可能只有300个氨基酸，而AvrE/DspE家族的蛋白质却有2000个氨基酸。研究人员曾寻找其他具有类似序列的蛋白质来寻找线索，但没有发现任何具有已知功能的蛋白质。"它们是奇怪的蛋白质，"他说。于是，他们求助于2021年发布的一款名为AlphaFold2的计算机程序，该程序利用人工智能预测给定氨基酸串的三维形状。计算机生成的一种名为DspE的细菌蛋白质的三维地图显示了其稻草般的形状。资料来源：杜克大学研究人员知道，这个家族中的一些成员可以帮助细菌躲避植物的免疫系统。但他们第一次看到这种蛋白质的三维结构时，发现了它的另一个作用。研究报告的共同作者、杜克大学生物化学教授周培（音译）说："当我们第一次看到这个模型时，它和我们想象的完全不一样。"研究人员研究了人工智能对感染梨、苹果、西红柿和玉米等农作物的细菌蛋白质的预测，发现它们都具有类似的三维结构。它们似乎折叠成一个带有圆柱形茎干的小蘑菇，就像吸管一样。预测的形状与使用低温电子显微镜捕捉到的导致果树火疫病的细菌蛋白质的图像十分吻合。从上往下看，这种蛋白质非常像一根空心管。这引起了研究人员的思考：也许细菌利用这些蛋白质在植物细胞膜上打洞，在感染过程中"强迫宿主喝水"。细菌进入叶片后，首先接触到的一个区域是细胞之间的空间，称为细胞质。通常情况下，植物会让这一区域保持干燥，以便进行光合作用所需的气体交换。但当细菌入侵时，叶片内部就会积水，为它们创造了一个湿润舒适的觅食和繁殖天堂。对预测的火疫病蛋白三维模型的进一步研究发现，虽然稻草状结构的外部是防水的，但其中空的内核却对水有着特殊的亲和力。为了验证水通道假说，研究小组与杜克大学生物学教授董珂及其实验室博士后、共同第一作者费利佩-安德烈亚扎（FelipeAndreazza）合作。他们在蛙卵中加入了细菌蛋白AvrE和DspE的基因读数，将蛙卵作为制造这些蛋白的细胞工厂。将蛙卵放入稀释的生理盐水中，水过多会使蛙卵迅速膨胀并破裂。研究人员还尝试通过阻断这些细菌蛋白的通道来解除它们的作用。野村重点研究了一类名为PAMAM树枝状聚合物的微小球形纳米粒子。这种树枝状聚合物在药物输送领域已经使用了二十多年，可以在实验室中制成直径精确的颗粒。他说："我们当时的假设是，如果我们找到合适直径的化学物质，也许就能堵住孔隙。"在测试了不同大小的颗粒后，他们发现了一种他们认为大小正好能堵住由火疫病病原体Erwiniaamylovora产生的水通道蛋白的颗粒。他们取来能合成这种蛋白质的蛙卵，用PAMAM纳米粒子浇灌，水就不再流入蛙卵。它们没有膨胀。他们还处理了感染病原体丁香假单胞菌的拟南芥植物，这种病原体会导致细菌斑点。通道阻断纳米粒子阻止了细菌的生长，使植物叶片中的病原体浓度降低了100倍。这些化合物对其他细菌感染也有效。研究人员在梨果上做了同样的实验，梨果接触到了导致火疫病的细菌，但梨果从未出现症状--细菌没有让梨果生病。"这是一个漫长的过程，但它成功了，"他说。"我们对此感到非常兴奋。"研究人员说，这些发现可以为防治许多植物病害提供新的思路。我们吃的食物中有80%是植物生产的。然而，全球粮食产量的10%以上--小麦、水稻、玉米、马铃薯和大豆等作物--每年都会因植物病原体和害虫而损失，全球经济损失高达2200亿美元。研究小组已就这一方法申请了临时专利。周和共同第一作者、周实验室的博士生程杰说，下一步要做的是，通过更详细地观察通道阻断纳米粒子和通道蛋白是如何相互作用的，弄清这种保护是如何起作用的。周说："如果我们能对这些结构进行成像，我们就能更好地理解并设计出更好的作物保护方案。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385063.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385063.htm