抗生素耐藥細菌對全球健康構(gòu)成迫在眉睫的威脅。對抗生素產(chǎn)生遺傳耐藥性的細菌每年導致數(shù)百萬人死亡。然而，遺傳耐藥性只是細菌在抗生素中存活的眾多方式之一。

德克薩斯A&M大學的研究人員正在研究細菌如何在不獲得新基因或突變現(xiàn)有基因的情況下對抗生素產(chǎn)生耐受性。研究人員專注于推動細菌生長的電化學能量的變化，以了解對抗生素的適應。這些能量非常強烈：單個細菌中的貢獻電場可能比閃電中的電場強。

“數(shù)十億年來，細菌已經(jīng)開發(fā)出許多適應策略，以便在惡劣的環(huán)境中生存，”德克薩斯A&M大學Artie McFerrin化學工程系副教授Pushkar Lele博士說，“大多數(shù)適應機制尚未被理解。

該團隊在mBio雜志上發(fā)表了一篇題為“非遺傳性抗生素耐藥性中質(zhì)子動力的異質(zhì)分布”的文章。

每年，大約有3萬磅抗生素用于人類醫(yī)學，其中八倍用于保持牲畜健康供人類消費。不幸的是，過量和非靶向使用抗生素可能會為細菌中出現(xiàn)抗生素耐藥性創(chuàng)造條件。

以前的研究已經(jīng)注意到，缺乏足夠能量的單個細菌細胞經(jīng)常在致死劑量的抗生素中存活下來。這些休眠細胞可能不具有可以賦予抗生素抗性的基因。相反，他們在抗生素發(fā)作中睡覺。

“抗生素通常通過靶向細胞中的關(guān)鍵過程來消除活躍生長的細菌，”Lele說。“在休眠細菌中，這些過程可能會受到阻礙，使抗生素無效。事實上，高能量水平被認為對他們的生存機會有害。

因此，當他們觀察到存活的大腸桿菌細胞在抗生素存在下快速游動數(shù)小時時，研究小組感到驚訝。細菌通過旋轉(zhuǎn)稱為鞭毛的細長附屬物游泳。鞭毛每秒通過穿過細胞膜的強電場旋轉(zhuǎn)數(shù)百次。因此，實驗表明，與傳統(tǒng)觀點相反，幸存者保持高電化學能量。

為了研究細胞能量與抗生素耐受性之間的相關(guān)性，研究人員用幾種抗生素組合處理細胞。使用熒光染料和靈敏的光子檢測技術(shù)，他們監(jiān)測了存活細胞中的電化學能級。盡管細胞處于生長停滯狀態(tài)，但出人意料地表現(xiàn)出廣泛的能量。

接下來，研究小組確定了如果治療被截斷，幸存者對抗生素水平下降的反應。在單細胞水平上，他們發(fā)現(xiàn)一旦抗生素威脅被消除，具有高能量的細胞就會立即開始生長，這表明不完整的抗生素療程的危險。

結(jié)果表明，一些細菌即使在抗生素攻擊中也能幸存下來，即使它們既不休眠也不耐藥。令人擔憂的是，這些細菌保留了游出有害環(huán)境并迅速傳播的能力。此外，高能量保留使他們能夠以各種方式適應抗生素。

“大腸桿菌中為運動提供動力的能量來源也為許多轉(zhuǎn)運體提供動力，通常稱為外排泵，”Lele說。“這些轉(zhuǎn)運蛋白可以將抗生素泵出細胞以減輕威脅。我們觀察到的游泳細胞可能通過這種機制適應。

如果感染患者對初始抗生素干預無效，藥物治療通常涉及改用其他抗生素。根據(jù)Lele的說法，他們發(fā)現(xiàn)的迷人之處在于，當抗生素切換時，具有高能量的細胞比使用單一抗生素時更頻繁地存活。

“我們的研究結(jié)果還表明，盡管在遺傳上是相同的，但群體中的細胞可以并且確實采用不同的機制來適應抗生素應激，”Lele說。“如果治療方案考慮到這種多樣性，它們會有更好的結(jié)果。

該項目的研究人員包括Lele，Annie H. Lee，Rachit Gupta博士，Hong Nhi Nguyen，Isabella R. Schmitz和Deborah A. Siegele博士。

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