研究人员确定了细菌如何在贫氧环境中存活

哥伦比亚大学的生物学家们已经发现了一种机制，通过这种机制，拥挤的缺氧环境中的细菌细胞可以获取氧气来产生能量，从而确保细胞的存活。这一发现可以解释一些细菌如铜绿假单胞菌(铜绿假单胞菌)如何能够在贫氧环境如生物膜和抵抗抗生素中茁壮成长。

“铜绿假单胞菌生物膜感染是导致囊性纤维化患者死亡的主要原因，囊性纤维化是一种影响肺部和消化系统的遗传病，”首席研究员Lars Dietrich说，他是生物科学副教授。“了解能够存在于氧气恒星环境中的铜绿假单胞菌和其他细菌的存活和毒力的途径可以为许多这些和其他免疫功能低下的患者提供治疗方法。”

这项研究本周出现在eLife杂志上。

细菌很少单独作为单细胞生物存活。大多数人在社区中生长，利用数字的强度形成具有类似组织特性的生物膜，类似于用于强化社区的支架，使其对大多数抗生素的抗性高达1,000倍。

每个单独的细胞必须自己从食物中提取电子，然后沿着细胞膜运输，直到它们到达氧分子。在这个代谢过程中释放的能量被用来维持生命。然而，随着细菌群体继续生长并形成生物膜，它们可能变得过度拥挤，从而形成一个环境，每个细胞必须竞争有限的营养和氧气才能生存。

研究表明，包括铜绿假单胞菌在内的一些细菌已经进化出不同的策略来应对和应对生物膜中的低氧条件。例如，细菌群落可以改变生物膜的整体结构，使得其表面积与体积比更高，并且更大比例的内部细胞能够接近外部的氧气。铜绿假单胞菌也可以制造称为吩嗪的分子，这有助于将电子从细胞内部传递到外部，最终到达远处可用的氧气。另一种策略是制备末端氧化酶的替代版本，膜中的酶将电子转移到氧气中，其更有效地使用氧气，或者当其浓度低时更好地清除氧气。尽管已经进行了大量研究以检验这些酶和策略对铜绿假单胞菌生长的重要性，但它们主要是在实验室中充分氧化的液体培养物中进行的。当铜绿假单胞菌感染实际宿主(例如人)时，它通常作为生物膜生长并遇到极其不同的条件。

在美国国立卫生研究院和国家科学基金会的联邦资助下，Dietrich，第一作者Jeanyoung Jo和他们的同事开始更好地了解特定的末端氧化酶是否对生物膜群落中的铜绿假单胞菌代谢很重要，吩嗪如何补偿低氧水平，以及这些适应策略如何促成铜绿假单胞菌引起感染的能力。

他们发现对电子转化为能量至关重要的电子传递链可以并且在缺氧的生物膜中深处运行，并且在这些环境中，细菌依赖于链的末端氧化酶的特定部分 - 一种叫做CcoN4 - 获取氧气并正常生长。缺乏这种蛋白质的细胞不能与携带它的细胞一样存活，因此研究人员认为CcoN4有助于细菌的毒力。他们还发现CcoN4在生物膜中最佳地使用吩嗪起作用。虽然这些吩嗪先前已经被证明可以代谢地补偿铜绿假单胞菌生物膜中的低氧条件，但这种机制仍然是一个科学谜。

迪特里希说：“这种细菌是寻找不同氧气摄入策略的大师。”“我们知道吩嗪是参与的，它们以某种方式帮助细胞获得氧气，但我们不知道如何。它似乎来自电子传递链。这是一个重要的启示。我们知道细菌细胞有不同的方式在富氧环境中代谢能量，但是最长的时间我们无法弄清楚当氧气难以进入时它们是如何做到的。“

该研究结果可能对铜绿假单胞菌生物膜感染的治疗产生重大影响，因为了解导致铜绿假单胞菌存活和毒力的途径可以为患者提供治疗方法。例如，开发阻断含有CcoN4的末端氧化酶的疗法会削弱细菌及其引起感染的能力。

“我们开始越来越多地了解细胞如何在相当可怕的环境中生存，”迪特里希说。“我们正在理解这个机制。现在我们可以开始寻找关闭这个过程的方法了。”

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