细菌可能是抵抗抗生素抗性的有力武器

当我还是个孩子的时候，我的父母给了我一个甜蜜的粉红色糖浆来消灭导致我喉咙痛的细菌。记忆证明了抗生素的力量。但是，通过我在过去几年中作为微生物学家的研究，我了解到，不仅一些微生物对抗生素具有免疫力，而且它们实际上可以“食用”这些药物，将它们用作营养丰富的食物来繁殖和繁殖。

在过去的十年中，科学家已经确定许多土壤栖息细菌能够抵抗和食用我们依赖的抗生素来对抗令人讨厌的感染。虽然这可能感觉像是来自微生物世界的谴责- 提醒他们，即使是我们最强大的药物，它们也可以进化 - 但这并非全是坏消息。

我和Gautam Dantas实验室的同事们不仅发现细菌如何能够食用应该杀死它们的药物，而且这对人们也有用。我们发现有一天我们可能会利用这些抗生素咀嚼的微生物来清理被这些药物污染的土地和水 - 这是抗生素抗性超级细菌的主要原因。

为什么抗生素会成为一种好吃的零食

微生物可以食用人类用来消灭它们的药物，似乎违反直觉。但从细菌的角度来看，抗生素可能只不过是对生命至关重要的元素来源：碳，氢，氧和氮。此外，医生开出的大多数抗生素都是由生活在土壤中的真菌和细菌制成的，或者来自这些抗生素。因此，这些良性土质微生物对其土壤邻居制造的碳化合物进行零食是完全合理的。

在过去的10年里，Dantas实验室的科学家们一直在研究细菌如何实现这一看似不太可能的壮举。现在我们认为我们已经破解了这个谜团。我们已经确定了一系列基因，这些基因编码微生物消耗青霉素所必需的酶(亚历山大弗莱明在1928年以其自然形式发现)。我们发现吃这种药是一个两步过程，细菌首先通过破坏一种叫做“β-内酰胺弹头”的药物来解除抗生素的作用。如果没有这个，剩余的青霉素片是无害的，可以用作食物，让微生物在高浓度的药物中茁壮成长。其次，细菌撕裂分子的环形部分，并使用一个专门的酶家族在进食之前进一步分解。

现在我们了解细菌使用哪种酶来禁用抗生素，我们可以制定防御策略并进行反击。这一点至关重要，因为抗生素耐药细菌会导致超过200万美国人患上严重疾病，导致每年超过20,000人死亡。这些感染治疗起来比较困难，费用也更高，因为它们需要长期住院。每年由于处理成本(200亿美元)和间接由于生产力损失(350亿美元)而直接导致美国经济损失。

使用微生物吃污染

最终，我们希望我们能够利用我们的研究结果来遏制抗生素耐药性的主要原因之一：土地和水的污染。这些自然资源受到来自农场的污水径流的污染，这些农场饲养抗生素使其肥胖，非法倾倒药物废物或溢出物 - 特别是来自中国和印度的散装制造商。我们相信我们可以通过生物修复来去除这些药物，生物修复使用生物来清理人为的混乱。

虽然我们在研究中发现的细菌在喂食青霉素时生长缓慢，但我们可能能够通过加速食用药物来设计能够更有效地去除抗生素的新品种。作为概念的证明，我们将来自土壤微生物的基因以及我们认为具有相似功能的先前发现的基因切割并粘贴到大肠杆菌的良性实验室菌株中，并将其转化为抗生素食用微生物。

虽然这可能听起来很简单，但要弄清楚青霉素进食和将它们插入大肠杆菌的遗传说明需要几个步骤。首先，我们对Dantas博士发现的所有四种吃青霉素的细菌的整个遗传内容- 基因组 - 进行了测序。这产生了细菌可以用来吃这种抗生素的所有潜在途径的遗传路线图。通过研究哪些基因在吃青霉素时被细菌打开，我们了解哪些是最重要的。

为了证实我们已经找到了微生物用来吃抗生素的步骤，我们在一种土壤细菌菌株中打破了这些基因。这产生了不能消耗青霉素的突变体，帮助我们确定需要哪些基因来设计大肠杆菌来吃青霉素。

但真正有趣的发现是，青霉素摄入需要两组不同的基因协同工作，从抗生素抗性基因开始，打破毒性β-内酰胺弹头。如果没有这种关键酶，细菌就无法解除抗生素的武装，如果没有酶负责从青霉素中去除环，就没有什么可吃的了。

这表明我们可能能够制造新的良性细菌菌株以从环境中去除抗生素。这并不意味着人们可以使用抗生素而不受惩罚，但它可能提供一种安全的方法来抑制未来抗生素耐药性的传播。

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