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

科学家利用基因编辑与耐抗生素细菌作斗争

科学家利用基因编辑与耐抗生素细菌作斗争通过利用细菌免疫系统作为基因编辑工具，一种可能有助于减少抗菌素耐药性传播的新工具正显示出早期的前景。世界卫生组织称，抗菌素耐药性是一个主要的全球威胁，每年有近500万人因抗生素无法治疗感染而死亡。细菌通常在耐药基因在宿主之间传播时产生耐药性。发生这种情况的一种方式是通过质粒--DNA的环状链，它可以在细菌之间轻松传播，并迅速复制。这可能发生在我们的身体和环境中，如水道。埃克塞特大学团队利用CRISPR-Cas基因编辑系统，该系统可以针对特定的DNA序列，并在遇到这些序列时进行切割。研究人员设计了一个质粒，可以专门针对庆大霉素的抗性基因--一种常用的抗生素。在实验室实验中，今天（5月25日）发表在《微生物学》杂志上的这项新研究发现，该质粒保护其宿主细胞不产生抗药性。此外，研究人员还发现，该质粒有效地针对它所转移的宿主中的抗菌素抗性基因，逆转了它们的抗性。主要作者、埃克塞特大学的DavidWalker-Sünderhauf说："就全球死亡人数而言，抗菌素耐药性的危害性有可能超过Covid。我们迫切需要新的方法来阻止耐药性在宿主之间的传播。我们的技术正在显示出消除广泛的不同细菌的抗性的早期前景。我们的下一步是在更复杂的微生物群落中进行实验。我们希望有一天，它可以成为一种减少抗菌素耐药性在污水处理厂等环境中传播的方法，我们知道这些环境是耐药性的滋生地。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1361645.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1361645.htm

利用废水发电 - 生物工程细菌正帮忙产生电力

利用废水发电-生物工程细菌正帮忙产生电力研究人员通过生物工程技术使被广泛研究的大肠杆菌产生电能。这项突破性工作发表在《焦耳》（Joule）杂志上，展示了这种细菌在各种环境中，尤其是在废水中的潜力。研究人员们表示："我们改造了大肠杆菌这种研究最为广泛的微生物来发电。虽然有一些奇特的微生物可以自然发电，但它们只能在特定化学物质存在的情况下发电。大肠杆菌可以在多种来源的环境中生长，这使我们能够在包括废水在内的多种环境中发电。"大肠杆菌是生物研究的主力军，人们利用它通过一种称为胞外电子转移（EET）的过程来发电。EPFL的研究人员对大肠杆菌进行了改造，使其表现出更强的电子传递能力，成为高效的"电微生物"。与以往需要特定化学物质才能发电的方法不同，生物工程大肠杆菌可以在代谢各种有机底物的同时发电。这项研究的主要创新之一是在大肠杆菌内创建了完整的EET途径，这是以前从未实现过的。通过整合以发电而闻名的ShewanellaoneidensisMR-1细菌的成分，研究人员成功构建了一条横跨细胞内外膜的优化途径。这种新型途径超越了以前的部分方法，与传统方法相比，电流产生量增加了三倍。该研究的首席科学家穆罕默德-穆布（MohammedMouhib）和梅拉尼娅-雷根特（MelaniaReggente）在他们位于洛桑联邦理工学院（EPFL）的实验室合影。图片来源：JamaniCaillet（EPFL）废水是工程细菌的游乐场重要的是，工程大肠杆菌在各种环境中都表现出了卓越的性能，包括从啤酒厂收集的废水。当外来的电动微生物举步维艰时，经过改造的大肠杆菌却茁壮成长，展示了它在大规模废物处理和能源生产方面的潜力。Boghossian说："我们在处理有机废物的同时还能发电，而不是将能源投入到系统中去--一举两得。我们甚至直接在洛桑当地一家啤酒厂LesBrasseurs收集的废水中测试了我们的技术。外来的电动微生物甚至无法存活，而我们的生物工程电动细菌却能以这些废水为食，成倍地繁衍生息。"这项研究的意义不仅限于废物处理。这种工程大肠杆菌能够从多种来源发电，可用于微生物燃料电池、电合成和生物传感等领域。此外，这种细菌的遗传灵活性意味着它可以进行定制，以适应特定的环境和原料，从而成为可持续技术开发的多功能工具。手稿的第一作者穆伊布说："我们的工作非常及时，因为工程生物电微生物正在推动越来越多的实际应用。我们创造了一项新纪录，与之前仅依赖部分途径的最先进技术相比，与该领域最近发表的最大论文之一中使用的微生物相比也是如此。目前该领域的所有研究工作都在进行，我们对生物电细菌的未来感到兴奋，迫不及待地希望我们和其他人能将这项技术推向新的规模。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382965.htm

食脑变形虫遇到了对手：奥地利研究人员发现不寻常的巨型病毒可消灭之

食脑变形虫遇到了对手：奥地利研究人员发现不寻常的巨型病毒可消灭之维也纳大学的研究人员发现了一种名为Naegleriavirus的病毒，这种病毒可感染危险的福氏奈格勒氏变形虫，为病毒生物学和潜在的水处理解决方案提供了新的视角。基于电子显微镜的Naegleriavirus图解。图中所示为带有星形星门的病毒颗粒切面。图片来源：该插图由StefanPommer/photopic.at绘制，根据CCBY-NC-SA4.0发布。这些病毒被命名为"Naegleriavirus"，属于巨型病毒，以其异常巨大的颗粒和复杂的基因组而闻名。研究小组在著名期刊《自然通讯》（NatureCommunications）上详细介绍了他们的发现。单细胞阿米巴原虫在全球水体中都有发现。值得注意的是，其中一种名为福氏奈格勒氏变形虫（Naegleriafowleri）的阿米巴原虫在30°C以上的温暖水域中生长旺盛，可引起原发性阿米巴脑膜脑炎（PAM），这是一种罕见但几乎无一例外都会致命的脑部感染。由维也纳大学微生物学与环境系统科学中心（CeMESS）的帕特里克-阿瑟弗（PatrickArthofer）和马蒂亚斯-霍恩（MatthiasHorn）领导的一个研究小组现在已经分离出了感染各种奈格勒氏变形虫的巨型病毒。巨型病毒在科学上被称为核细胞病毒群，是二十年前才发现的一个病毒群，主要感染单细胞生物。这些病毒在体积上可与细菌媲美，拥有独特的结构和遗传特征，以前被认为是细胞生命独有的。它们的发现引发了关于病毒定义和生命起源的争论。被Naegleriavirus感染的变形虫细胞。荧光显微镜图像显示了变形虫细胞（粉红色）内的病毒工厂和新产生的病毒颗粒（蓝色）。图片来源：PatrickArthofer和FlorianPanhölzlPatrickArthofer说："新发现的Naegleriaviruses是从维也纳附近Klosterneuburg的一家废水处理厂中分离出来的，是被称为Klosneuviruses的一类病毒中的第四个分离株。通过与普瓦捷大学、加那利群岛大学和美国联合基因组研究所的研究人员开展国际合作，Naegleriavirus的发现和特征描述才得以实现。"Naegleriavirus被误认为是一种食物来源，但在短短几小时内就摧毁了它们的变形虫宿主。它们表现出巨型病毒中常见的结构，通过所谓的星门结构感染宿主细胞，从而促进DNA的进入。几小时内，变形虫细胞内就会形成一个被称为病毒工厂的结构，在细胞核外复制病毒遗传物质，并组装成数百个新的病毒颗粒。为了在这一过程中保持宿主细胞的活力，Naegleriavirus可能会使用特殊的蛋白质来抑制细胞的天然免疫反应，防止细胞过早死亡。只有在病毒复制成功后，细胞才会遭到破坏并释放病毒。噬菌体疗法采用病毒来对付细菌病原体，但新发现的Naegleriaviruses可能不适合治疗奈格勒氏变形虫感染，因为感染发生在脑部，而药物到脑部的可及性具有挑战性。不过，这一发现为对高危水体（如游泳池水处理过程中）进行预防性治疗的可能性打开了大门，但这首先需要进一步的研究。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428759.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428759.htm

为什么人类不能喝生水，动物都直接喝？

为什么人类不能喝生水，动物都直接喝？或许动物也想用烧水壶？ 图源：纪录片《大裂谷：美丽的非洲心脏》又或者当你看到一群鬣狗秃鹫正围着一只死去的角马大快朵颐，你是否有过疑惑，这肉能吃吗？对于多数现代人来说，我们如今遵循着极其严苛的饮食标准。生水从水源地到水龙头需要经过絮凝、沉淀、过滤、消毒、水质检测等多道水处理步骤，生肉也要经过仔细的清洗和烹煮后才能放心食用。直接从路边的水坑喝水？逮着猎物就开啃？这是万万不能接受的！世卫组织发布的数据显示，全球每年约有超过50万人死于因饮用不洁水源而产生的腹泻，超过2亿人因为食用未煮熟的肉类或受污染的鲜食而患病。解放初期统计，全国一千万余患者，一亿人口受到血吸虫感染威胁。图为上世纪末血吸虫病患者但为什么野生动物们这么干就不会有事呢？是真的没事儿吗？敏锐的感知力首先必须明确一点，野生动物并不是拉到篮里都是菜，见水就喝的，它们也是有选择性地进行取食。在美国怀俄明州西南的红沙漠中，生活着当地规模最大的叉角羚（Antilocapraamericana）种群，众所周知，水是沙漠中最宝贵的稀缺资源。但有意思的是，科学家发现叉角羚们很有原则，并不会渴不择水。它们几乎从不光顾水中溶解性固体总量（TDS）超过5000ppm的水源，而当水体酸碱度（pH）超过9.2后，它们便会集体离开，寻找新的水源。虽然我们还不确定它们是如何做到的，但它们确实能够通过某种途径感知出不同水体之间水质的差异，而且非常敏感。我们需要酸碱度测纸才知道的事，它们却有超能力似的 图源：invasive.org所以这些动物所饮用的，看似糟糕的水，可能其实并没有想象中的那么不堪。在对老虎摄食行为的观察中人们也发现，它们对食物的气味非常敏感，通过简单嗅闻就可以轻松区分面前的肉是否新鲜。在这方面，我们人类的嗅觉就相形见绌了。适配的免疫力但即使再强大的感受系统，也无法做到滴水不漏。相较于pH、气味等物理化学指标，隐藏在水和食物中的各种致病微生物往往更难被察觉，也更为致命。这时，动物自身的免疫系统就起到了关键性的作用。在对野生西欧家鼠（Musmusculusdomesticus）免疫系统的研究中人们发现，同一物种，但生活在不同地方的种群，在血清抗体浓度、体内免疫细胞数量、免疫反应激活状态等各方面，都表现出了较大的差异。同一地区的不同个体之间，它们的免疫水平则相对接近。在田鼠（Microtusagrestis）中的研究也证实，虽然拥有相同的免疫系统，但受到不同外界环境因素的影响，在一些生成关键免疫因子的基因表达上，不同种群个体可能存在天壤之别。上野生西欧家鼠；下田鼠 图源：naturephoto-cz.com；lookphotos.com回到喝水吃肉这件事上，这些野生动物由于世世代代栖居在相似的环境中，取用同一地区的水源，捕食相似的猎物，已经对该地区水体/食物中常见的致病微生物产生了基本的免疫力（无法适应的个体则会生病，被淘汰）。这种抗性又会通过母源免疫的形式遗传给后代，循环往复，自身和群体的免疫力得以不断巩固。这也是为什么长期人工饲养的动物，一旦进入野外环境后容易出现水土不服。虽然它们的装备看似和野外同胞的并无不同，但因为它们从来没有接触过这些野外的病原体，也就无法激活有效的免疫机制来与之抗衡了。强大的消化力除了免疫系统，野生动物的消化系统也在这个适应过程中扮演了重要的角色。首先，动物的口腔中除了含有水、各种营养物质、消化酶外，还包含了溶菌酶、白细胞、免疫球蛋白等多种免疫组分，形成了它们应对“病从口入”的第一道防线。在体外试验中，犬科动物的唾液就展现出了不俗的杀菌实力，对于食物中常见的诸如大肠杆菌、链球菌都有不错的杀灭效果。再回想下你是不是经常看到动物们用舌头舔舐伤口？这其实就是它们在利用口腔里的“小药箱”帮助清理伤口，加速愈合。嗐，人家屎都能吃 下图源：doghealth.com其次，野外肉食动物们还配备了更厉害的胃肠屏障。杂食性动物的胃环境平均pH约为2.9，人类的胃环境平均pH数值为1.5-3.0，像鬣狗、秃鹫这样的食腐动物，它们的胃内pH低至惊人的1.3。在如此强酸的保护下，食物中的病菌要想兴风作浪那是谈何容易。甚至有学者提出，由于我们人类现在食物中病菌的减少，对于利用胃酸阻挡有害菌的需求也在逐渐降低，未来人类的胃酸可能会向着减少或稀释的方向演化？！肉食性动物的平均PH较低，特别是食腐动物除了胃酸，较我们人类更短的肠道也是它们的优势。我们人类肠道约七八米，是身高4~5倍，像老虎的肠子只有5.4米，是身长的3~4倍，狼的肠子仅为身长的3倍.这样可以大大减少有害菌通过食物在体内停留的时间，尽快将它们排出体外，将伤害降至最低。狗和猫的肠道长度 图源：veteriankey.com最后，这些动物还有着更适合在野外吃生肉的肠道微生物体系。科学家对比了野生狼和家养狗的肠道菌群，结果发现，野生狼体内的菌群和狗有着非常显著的差别。在狗体内，与碳水和多糖代谢相关的微生物较多。而在野生狼的肠道中，与免疫力、高蛋白、高脂肪摄入吸收相关的微生物数量明显更高，充分体现了肠道微生物对于宿主生存环境和食物的完美匹配。类似的微生物区别在野生和人工圈养的东北虎中也有发现。所以模拟它们野外老祖宗食谱，给家中的宠物猫狗喂食过多生肉也许未必是个好主意哦！而以上这一系列适应性变化的结果就是，这些野生动物获得了更强、更有针对性的抗病能力以及更好的食物吸收效率。幸存者偏差所谓“幸存者偏差”指的是由于我们过度关注那些“幸存者”，从而忽略了那些没有幸存的或没有观察到的个体，因而得出错误的结论。我们看到的是野生动物在水坑边喝水，在草原上食腐，但这并不代表它们不会吃坏肚子，可能只是我们没有注意到，或者没有机会观察到那些反面案例。说不定，野生动物因为喝生水吃生肉而致病致死的情况远比我们想象的要普遍。所以保持野生动物栖息地中水源的洁净，是野生动物保护中一个非常重要，不可忽视的环节。2020年，博茨瓦纳330多头大象因食用了水中的蓝藻细菌产生的毒素而死亡我们也不必为自己不能大口吃生肉、随便喝水而感到可惜，把水和肉烧熟了再吃也许就是最符合我们人类需求的生存之道！这样做不仅能帮助我们减少食物中病原体的发生，同时也为我们大大减少了在消化食物上的投入，让我们可以把更多的时间和能量用在其他有意义的事情上。参考文献[1]Rosenstock,StevenS.,WarrenB.Ballard,andJamesC.DeVos."benefitsandimpactsofwildlifewaterdevelopments." RangelandEcology&Management/JournalofRangeManagementArchives 52,no.4(1999):302-311.[2]Marigorta,UrkoM.,OscarLao,FerranCasals,FrancescCalafell,CarlosMorcillo-Suárez,RuiFaria,ElenaBoschetal."Recenthumanevolutionhasshapedgeographicaldifferencesinsusceptibilitytodisease."BMCgenomics12(2011):1-14.[3]Hart,BenjaminL.,andLynetteA.Hart."Howmammalsstayhealthyinnature:theevolutionofbehaviourstoavoidparasitesandpathogens."Philosophical...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427409.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427409.htm