研究人员揭示了具有相同基因型的细菌如何显示不同表型的机制

细菌群体提出了一个有趣的难题：在所谓的同基因群体中，所有细菌都具有相同的基因，但它们仍然表现不同，例如以不同的速度生长。奥地利科学技术研究所(IST奥地利)的研究人员现在通过研究细菌大肠杆菌是如何分解蛋白质复合物来解决这一难题的一部分，该蛋白质复合物通过将多种药物(如抗生素)从细胞中泵出来解毒细胞。

他们发现，当一种细菌分成两部分时，泵蛋白就会分布，因此一种细胞比另一种细胞遗传更多的泵蛋白。在低浓度的抗生素中，遗传更多泵蛋白的细菌细胞生长更快。分配泵蛋白是在细菌群体中实现不同行为的一种方式，并且可能是产生抗生素抗性的垫脚石。今天发表在“科学”杂志上的这项研究是由一位跨学科二人组成的：一位实验主义者Tobias Bergmiller，以及来自IST奥地利C?lin Guet和GašperTkačik小组的理论家Anna Andersson。

细菌群体由数千种个体细菌组成，所有细菌都具有相同的基因组成。但是这些个体可以具有一系列表型，即外观和行为不同，这是由于细胞中的随机过程影响遗传指令的使用方式。对于细胞质中的蛋白质，细胞内的液体，这些随机分子过程包括蛋白质分解的差异，或随机分配到细胞分裂过程中形成的两个细胞中。在目前的研究中，研究人员研究了围绕细胞的细胞包膜中的蛋白质复合物如何促成这种异质性或表型的多样性。

研究的蛋白质复合物AcrAB-TolC是将药物从大肠杆菌细胞中泵出的主要蛋白质复合物。它存在于细胞包膜中，其中蛋白质聚集在一起作为“岛”。与细胞溶质不同，蛋白质通常通过扩散充分混合，包膜中的蛋白质可以不对称地分离。这些簇中的一些形成于细胞极，即棒状细菌如大肠杆菌的圆形末端。在这些细菌中，细胞分裂“天生”的细胞可以通过其两极来区分。一个细胞，即母细胞，保留了一个源自过去分裂的旧细胞极，其中外排泵蛋白形成稳定的簇。

作者表明，AcrAB-TolC在母细胞中的这些旧细胞极上积累。这些母细胞可以比没有遗传旧细胞极的子细胞更有效地泵出药物。在低浓度的抗生素下，母细胞比子细胞生长得更快。基于这些观察结果，研究人员开发了一个数学模型，以确定药物泵的偏差分配如何影响细菌种群。他们发现能迅速抽出药物的母细胞变得更加普遍。随着这种异质性长期存在，这种极端表型变得更加普遍，人口变得异质。

C?lin Guet解释了有偏见的分区可能是抗生素耐药性的一步：“其他研究组最近的研究表明，在低浓度的抗生素中，导致抗生素耐药性的突变很快就会出现。这种低浓度在自然界中越来越多在药物治疗过程中的生境或患者。事实上，关于抗生素选择的研究发现，我们研究的基因AcrAB被扩增。细菌群体的异质性是通过药物外排泵的偏向分配机制产生的，正如我们所做的那样。在我们的研究中发现，可能是细菌群体对抗生素抗性的一个垫脚石“。

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