研究揭开了细菌广泛武器背后的谜团

牛津大学领导的一项新研究揭示了为什么某些细菌种类携带着惊人的武器库。该研究结果发表在《自然生态与进化》杂志上，可以帮助我们设计能够消灭致命病原体的微生物，从而减少我们对抗生素的依赖。

许多细菌物种拥有多种武器来攻击竞争对手。其中包括需要与邻近细胞直接接触的短程武器和远程武器，例如释放到环境中的毒素。到目前为止，为什么细菌能够进化出携带如此广泛的武器一直是个谜。

研究合著者凯文·福斯特教授(牛津大学生物与生物化学系)说：“与倾向于携带单一武器类型(如角、鹿角或象牙)的动物不同，细菌物种通常携带多种武器。但是目前尚不清楚其进化基础是什么——为什么不只投资于单一类型?一种理论是细菌携带多种武器，因为它们在竞争中发挥不同的功能。

研究人员使用机会性病原体铜绿假单胞菌进行了测试，由于多重耐药菌株的迅速出现，该病原体被世界卫生组织列为优先病原体。铜绿假单胞菌拥有多种武器，包括产生各种有毒分子的能力(一种远程武器)，以及固定在其外膜上的载有毒素的细丝(一种短程武器)。

该团队设计了一系列实验，以确定短程武器与远程武器在哪些条件下具有更大的优势。他们利用基因组编辑技术生成了铜绿假单胞菌菌株，这些菌株缺乏且易受负载毒素的细丝或称为尾素的长距离毒素的影响。

然后将敏感菌株以一系列不同的比例在含有对照铜绿假单胞菌的琼脂平板上生长两天。由于每种菌株表达不同的荧光蛋白，研究人员可以量化攻击细菌与易感细菌的比例。

结果清楚地表明这两种武器在不同条件下表现最佳。Tailocins 这种远程武器只有在攻击细菌密度高且比竞争对手更常见时才有效。

另一方面，携带载有毒素的细丝在更大范围的条件下具有竞争优势。这包括攻击细菌最初数量很少且必须与大量易感细菌竞争的情况。

研究人员随后在直接的正面竞争中挑战了这两种工程菌株。当菌株以相同的频率启动时，携带毒素丝的细菌具有明显的优势。然而，两位武器使用者在开局时都以多数获胜。

此外，当细胞可以同时使用两种武器时，它们能够比仅使用一种武器的菌株更好地抑制敏感细菌，这表明短程和远程武器是相辅相成的。

研究人员表示，结果表明，短程和远程武器根据比赛场景的不同而表现不同。

合著者肖恩·布斯博士(牛津大学)表示：“我们的研究结果表明，接触式武器的一个特殊优势是，即使用户处于数量劣势，它们也能发挥作用。这表明它们可能已经进化到能够实现当细菌数量超过常驻细菌时，它们就会入侵已建立的种群。”

这一理论得到了一个计算模型的支持，该模型模拟了少量攻击细胞攻击大量易受影响的细胞。

在模型中，使用短程武器的细胞能够成功入侵群落，而使用远程武器的细胞却不能。然而，当使用远程武器的细胞大量存在并且比竞争对手更常见时，这些细胞就变得非常有效，为攻击者提供了显着的竞争优势。

研究人员目前正在研究如何将这些发现应用于定制设计的有益微生物，以击败致病菌株。

合著者威廉·史密斯博士(牛津大学和曼彻斯特大学)说：“这些结果让我们对细菌成功入侵并在群落中持续存在所需的武器类型有了宝贵的见解。最终，这可以帮助我们开发对抗多重耐药细菌的无抗生素方法。”