细菌细胞壁 杀菌就是爆炸！哈佛科学家终于揭开青霉素炸开细菌的50年谜题

1928年，青霉素出现在弗莱明先生的培养皿上，在葡萄球菌最初生长的培养基上做了“空白圈”，为人类使用抗生素对抗细菌打开了大门。

为了解开“空白圈”之谜——青霉素的杀菌机理，科学家们在显微镜下观察了青霉素对细菌的杀灭作用。

结果看到了令人惊讶的一幕。

细菌一个个，嘭！嘣！嘣！地面爆炸了...

左:一个接一个爆开的细菌；右:正常生长的细菌

青霉素是怎么引爆细菌的？

随后，经过近30年的探索，许多科学家认为，这主要是因为青霉素作为一种β-内酰胺类抗生素，可以与细胞壁合成酶pbps (PBP)结合，抑制细菌细胞壁中肽聚糖的交联[1]，最终导致细胞壁越来越脆弱，细菌最终像过度吸水的大豆一样爆裂而死。

这种传统认知在1970年被打破。

洛克菲勒大学的三位科学家利用他们开创性的研究成果改变了上述观点:青霉素使细菌爆炸，依靠一种降解细胞壁中肽聚糖的酶——自溶素[2]。

后来科学家发现，其他β-内酰胺类抗生素诱发的细菌爆炸，都是依靠自溶素。

自溶素参与细菌生长过程中的许多关键细胞过程，对细菌的生长极其重要。不幸的是，到目前为止，没有人能解决两个问题:肽聚糖降解酶如自溶素是如何被精确调节的，以及这个过程是如何被青霉素破坏的。

哈佛医学院的大卫·鲁德纳教授领导的研究小组终于解开了困扰学术界近50年的谜团，发现了青霉素导致细菌“爆炸”的秘密。这篇文章发表在著名的期刊eLife [3]上。

随着耐药菌的频繁出现，Rudner教授的新发现对新抗生素的开发具有重要意义。

通信作者鲁德纳教授(资料来源:harvard.edu)

在揭示Rudner教授团队的发现之前，有必要先介绍一下细菌的生长繁殖过程和青霉素的作用机制。

细菌细胞和人类细胞的一个主要区别是，细菌有细胞壁，而人类细胞没有。青霉素等β-内酰胺类抗生素就是基于这种差异，能有效攻击细胞壁，杀死细菌，而不伤害人体细胞。

众所周知，根据细菌的细胞壁组成，细菌可以通过染色分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，革兰氏阳性菌的细胞壁含有肽聚糖。

肽聚糖像盔甲一样，保护细菌柔软的原生质，防止原生质因过度吸水而膨胀和破裂。先前的研究表明青霉素的目标是肽聚糖合成酶PBP。青霉素抑制了PBP的活性，导致细胞壁变得脆弱，最终破裂和死亡。这也与科学家在显微镜下观察到的现象一致。

细胞壁肽聚糖链示意图，绿色是PBP

然而，洛克菲勒大学的三名科学家在1970年发现，抑制肺炎链球菌的自溶系统可以使这些细菌对青霉素产生耐药性。

如何抑制一条与青霉素作用机制无关的途径，使对青霉素敏感的细菌产生耐药性？

答案是青霉素的抗菌机制取决于肽聚糖的降解机制，抑制肽聚糖的合成其实不足以引起细菌爆炸。

那么青霉素是如何调节细菌肽聚糖的降解的呢？鲁德纳教授的团队解决了这个难题。

众所周知，细菌生长，分裂时直接分裂成两个。这些生命活动需要分裂细胞壁或暴露一些小缝隙[4，5]。

那么，在有固体细胞壁的情况下，细菌是如何完成上述过程的呢？事实上，细菌已经为自己准备了一种可以分解细胞壁的酶——肽聚糖水解酶(LytA)，这是较早引入的自溶素。

以肺炎链球菌为例，肽聚糖水解酶一直存在于细菌的生长繁殖过程中。即使在细菌快速繁殖的指数生长期，肽聚糖水解酶也保持相对稳定的水平。

当细菌生长到稳定阶段，少数细菌会像青霉素治疗一样爆发。科学家称这种现象为“自溶”。自溶是由自溶素如肽聚糖水解酶LytA的失控引起的。

肽聚糖水解酶的双刃剑是如何被细菌控制的？

看完这个过程，奇点蛋糕只想用一个词来评价:聪明！

最初，在正常情况下，肽聚糖水解酶通过一种叫做细胞膜磷酸蛋白酸(LTAs)的物质固定在细胞膜上。由于细胞膜与细胞壁之间有一定距离，肽聚糖水解酶与细胞壁处于和平状态。

然而，膜磷壁酸的形成是由一种叫做TacL的酶控制的[7]。如果TacL不在了，就无法形成膜磷壁酸，同时大量合成了另一种叫做细胞壁磷壁酸(WTAs)的物质。而这个细胞壁磷酸蛋白酸还可以固定肽聚糖水解酶，使肽聚糖水解酶固定在细胞壁上，开始降解细胞壁上的肽聚糖。

那些关于磷酸合成的事情

写到这里，恐怕你已经猜到青霉素应该会影响这个TacL。

的确，当研究人员在肺炎链球菌的培养基中添加青霉素时，发现TacL水平下降，原来固定在细胞膜上的肽聚糖水解酶转移到细胞壁上，肽聚糖降解，细胞失去了细胞壁的保护，大量的水涌入细胞，使细胞膜不堪重负。

最后爆炸了。

由于研究人员的努力，肽聚糖水解酶的调节蛋白TacL的秘密终于被揭开，这进一步解释了祖先抗生素青霉素是如何打击肺炎链球菌的。

当然，最重要的是为消除致病菌提供新的靶点和治疗思路。

参考文献:

[1]JL斯特龙格公园JT。青霉素的作用方式[J]。科学，1957，125:99–101。

[2]托玛兹，白化病人，扎娜蒂，等.抑制自溶系统的细菌的多重抗生素抗性[J].自然，1970，227(5254): 138-140。

[3]Flores-Kim J，Dobihal G S，Fenton A，等.表面聚合物生物发生中的开关触发生长阶段依赖性和抗生素诱导的细菌溶解[J].eLife，2019，8: e44912。

[4]德拉斯里瓦斯B，加西亚J L，洛佩斯R，等.肺炎球菌LytB的纯化和极性定位，一种推定的内-β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶:链分散murein水解酶[J].细菌学杂志，2002，184(18): 4988-5000。DOI:10.1128/JB . 184 . 18 . 4988-5000.2002

[5]Bisicchia P，Noone D，liou E，等.必需YycFG双组分系统控制枯草芽孢杆菌的细胞壁代谢[J].分子微生物学，2007，65(1): 180-200。DOI:10.1111/j . 1365-2958.2007.05782 . x

[7]何恩，华道夫，科勒，等.脂磷壁酸缺乏允许正常生长，但损害肺炎链球菌的毒力[J].《自然通讯》，2017，8(1): 2093。DOI:10.1038/s41467-017-01720-z