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“撕碎”细菌细胞壁 裂解酶噬菌体轻松“吃掉”

  在人或动物的肠道、口腔及生殖道内,普遍存在着一种“共生菌”粪肠球菌。近年来研究发现,由于新型抗生素的研制速度远远赶不上耐药菌的进化速度,部分粪肠球菌耐药性严重,逐渐演变成“超级细菌”。

  俗话说“一物降一物”,“超级细菌”的天敌又会是谁呢?来自福建师范大学生命科学学院、南方生物医学研究中心欧阳松应教授认为,噬菌体或能做到。日前,他们课题组在国际病原学《公共科学图书馆-病原体》上发表研究称,一个结构类似“八爪鱼”的裂解酶“LysIME-EF1”,能够高效裂解多种粪肠球菌临床株,具有巨大的潜在应用价值。

  欧阳松应表示,“LysIME-EF1”可以作为生物前体,用来针对粪肠球菌临床株的生物药物,最终解决攻克耐药细菌的难题,而噬菌体疗法有望成为人类对抗细菌的最后一道防线。

  粪肠球菌是一种革兰氏阳性菌,又名粪链球菌,可引起人的心内膜炎、菌血症、泌尿道感染及脑膜炎等多种疾病。在需氧革兰氏阳性菌导致的医院内感染中,其致病率仅次于葡萄球菌。在全球范围内每年由于粪肠球菌感染而导亡的人数高达1.7万,并且还在逐年攀升。

  近年来,由于抗生素的和大量不规范使用,粪肠球菌获得性耐药性不断上升,治疗粪肠球菌感染日益困难。“细菌耐药性又称抗药性,是指细菌于抗细菌药物(如常用的抗生素)时发生改变,使得这些药物逐渐失去效果,不能发挥抗菌作用。”欧阳松应说。

  据介绍,粪肠球菌对抗药物,已经越来越“聪明”,进化出一系列“逃生”策略:能通过改变青霉素结合蛋白的结构,降低与青霉素的亲和力使药物失效,来“逃避”被的命运;能编码产生青霉素酶来降解青霉素,实现对青霉素这类抗生素的耐药性;它还能形成生物包被膜,将自己紧紧包裹在膜内,从而使药物作用失败。

  究其原因,欧阳松应,对抗粪肠球菌药物大多数为多年前所研发,更新换代速度慢;有些粪肠球菌在形态结构上产生耐药性变化,同时粪肠球菌耐药机理研究不透彻,缺乏相应的实验数据指导药物。因此,目前急需解决的问题是彻底了解粪肠球菌耐药机理,为药物研发提供理论基础。

  “随着细菌耐药性问题的日益突出,特别是农业农村部2020年起饲料中全面添加抗生素,寻找新的抗菌制剂已刻不容缓。”欧阳松应表示,而噬菌体及其裂解酶,因具备高效杀菌能力,被誉为粪肠球菌的“天敌”。

  欧阳松应告诉科技日报记者,噬菌体是指能够“吃”细菌的一些病毒,它在地球的每个角落随处可见,在泥土、动物内脏、人类手上等,都可以找到噬菌体的踪影。“幸运的是,它对人体无害,只能专门以细菌为生。而且每种噬菌体几乎只吃一种细菌,因此它们能靶向的致病细菌。同时,它有自限性,一旦针对的细菌群被消灭,其数量将锐减,不会在体内大量存活。”欧阳松应说。

  裂解酶即噬菌体的“嘴巴”,它的作用在于撕碎细菌的细胞壁,在与细菌细胞壁接触的数秒内,就可以“撕碎”细菌细胞壁,并能高效裂解多种细菌。据欧阳松应介绍,由于噬菌体是病毒,它对细菌的是“物理”,产生耐药性的可能性远小于抗生素,因而不存在抗药性问题,故可作为一种潜在的抗菌药物,而且制备效率高、费用低。

  早在上世纪70年代,就有科学家用噬菌体疗法,治好了500例因抗生素使用过度导致菌群失调的婴幼儿。这些孩子们因患败血症或, 接受2到3周抗生素治疗后,导致体内发生菌群失调, 出现腹泻、体重减轻等现象。经噬菌体及双歧杆菌治疗后, 从腹泻症状减轻和体重增加情况来看, 所有患儿的症状都有明显临床改善。

  当前,国内关于噬菌体裂解酶的研究起步较晚,大部分研究还处于实验室阶段。本次研究中,欧阳松应团队分离获得噬菌体“IME-EF1”,并找到该噬菌体的裂解酶基因,将该裂解酶命名为“LysIME-EF1”。研究发现,“LysIME-EF1”能够裂解从临床上分类的多种粪肠球菌。

  相比病菌,粪肠球菌对适应力和抵抗力强,如在被裂解的过程中,容易形成生物包被膜,裂解酶从外部需要突破包被膜,才能直接作用于细菌。同时,该病菌细胞壁较厚,所需裂解时间稍长。面对如此“狡猾”的对象,“LysIME-EF1”如何捕杀粪肠球菌?

  欧阳松应团队在研究中发现,“LysIME-EF1”由一个水解细菌细胞壁的功能域和一个结合细菌细胞壁的功能域组成。结合功能域像一个八爪鱼的“吸盘”,由4个组成,它能牢牢地吸住“猎物”粪肠球菌。而水解功能域呈现球状,像八爪鱼的“头部”连在“吸盘”上,中间通过柔性“脖子”连接。当“吸盘”吸住猎物后,球状“嘴巴”便通过柔性“脖子”吃掉猎物。

  “LysIME-EF1能够高效裂解,与其结构的独特性密不可分。”欧阳松应进一步解释,与裂解酶不一样的独特结构,提高了它与细菌的结合能力,并且结构上的4个和催化功能域都是由一个基因编码,而裂解酶结合功能域只有一个,这赋予“LysIME-EF1”高效裂解多种粪肠球菌临床株的超能力,催化活性和裂解范围比的裂解酶高效和宽广。

  欧阳松应团队还通过流式细胞分筛技术及细菌裂解实验,找到了裂解酶“LysIME-EF1”与细胞壁结合的关键位点,填补了相关机制研究的空白。裂解酶与细菌细胞壁的结合过程是裂解酶发挥裂解活性必不可少的一个步骤,由于细菌细胞壁成分复杂,一直以来,很难彻底了解裂解酶是如何结合到细菌细胞壁。他们通过裂解酶“LysIME-EF1”的结构,发现其底部“吸盘”结构带有正电荷,推测可能与细胞壁上某些带负电荷的组分结合。他们进一步开展系列实验,结果验证了他们的推测并找到了关键结合位点。

  “针对这些位点,我们可以开展相关实验,通过提高裂解酶与细菌细胞壁的结合能力来提高裂解活性。”欧阳松应表示,他们打算根据这个裂解酶的结构特征,采用计算机模拟的方法,确定能与其结合的底物,从而拓展它的应用。

  欧阳松应告诉记者,他们的研究首次从结构和功能角度阐明了“LysIME-EF1”的作用机理,对针对粪肠球菌临床株的生物药物具有重要意义。目前,这种裂解酶对近30株临床上引起尿道感染、败血症、化脓性腹部感染等的致病性粪肠球菌,都拥有很高的裂解活性。下一步,团队将根据相关结构信息,开展裂解酶“LysIME-EF1”的工作,扩宽裂解谱,同时建立相关动物模型,加快临床研发的进程。

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