讓耐葯細菌「自殺」：基於接合作用的抗菌新策略

法國研究人員開發一種新技術，用質粒分別編碼毒素分子與內珠蛋白分子，藉助接合作用把它送進耐葯細菌內，產物結合生成活性毒素，精確殺死細菌。這種方法具有高度特異性，不會「誤殺「有益菌群。

圖片來源：Pixabay

來源 Institut Pasteur

翻譯 吳娜

審校 嚴冰冰、劉悅晨

編輯 戚譯引

20 世紀初，當第一批抗生素被發現時，傳染病的死亡率急劇下降。但如今，由於抗生素濫用，具有多重耐藥性的細菌的出現也引發了關注，有人擔心到了 2050 年，傳染病可能將再次成為全球人口死亡的主要原因。

為了更好地應對這一潛在威脅，巴斯德研究所（the Institut Pasteur）、法國科學研究中心（CNRS）和馬德里理工大學（Universidad Politécnica de Madrid）的科學家們成功編輯了質粒（細菌的一種遺傳結構），使其能夠特異性地殺死具有多重抗藥性的細菌，同時不會對體內的其他益生菌產生危害。與正在開發的其他方法不同，這種方法產生新耐藥性的可能性很低。該研究結果於 2019 年 4 月 15 日發表在《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）雜誌上。

當使用抗生素治療時，療效分子攻擊體內菌群中的所有細菌。這種非靶向的破壞會導致菌群失調，也就是說，菌群的生態系統平衡會被破壞，從而創造了致病菌出現和耐藥性產生的機會。通過制定高特異性的抗菌策略，可以防止菌群失調帶來的危害。例如，CRISPR-Cas9 工具可以靶向編輯致病菌的耐葯基因，但是與這項技術相關的細菌脫靶概率（即病原體成功逃離被感染生物體所使用的各種防禦機制）相對而言也是很高的。

在這項研究中，由巴斯德研究所教授迪迪埃?馬澤爾（Didier Mazel）領導的科研團隊開發了一種替代策略，通過接合作用轉入強力毒素，並使其特異性表達，從而消滅細菌。接合作用（conjugation）是細菌通過質粒（一種細菌基因組特有的 DNA 分子）交換基因的過程。在這種新策略中，編碼毒素的基因位於質粒內。「使用 II 型毒素-抗毒素系統的毒素看起來是個好主意，因為細菌似乎不會對這種毒素產生耐藥性。但挑戰是，如何嚴格調控這些毒素的威力。我們是這樣做的：將毒素基因分成兩個片段，從而確保只有當這兩個部分重新組合時才會有效。」該論文的領銜作者（lead author）Didier Mazel 解釋道。

科學家們在霍亂弧菌（Vibrio cholerae）中證實了這種毒素的特性。霍亂弧菌是一種海洋細菌，其天然宿主是某些特定的魚類和貝類。「我們首先想要激活霍亂弧菌中的毒素表達，使用這種細菌特異性識別的啟動子（轉錄所需的 DNA 區域）來表達和激活毒素複合物，」馬澤爾繼續說。然後他們進一步改進了這種「武器」，使這種毒素只能夠靶向識別霍亂弧菌的耐葯菌株。這涉及到創建一個基因模塊，表達一種高度特異性的毒素抑製劑，當細菌含有抗性基因的時候它就不再表達了。通過結合這兩種方法，他們開發了一種遺傳結構，其有效性在斑馬魚和鹵蟲屬（Artemia）內複雜的自然菌群中得到了活體驗證。

「在這一替代策略中，細菌的逃逸水平非常低。它也很容易被改造，用於特異性消滅其他幾種病原體。我們現在需要改進的是質粒傳遞基因的過程，」馬澤爾總結。

巴斯德研究所和 CNRS 已經為 Didier Mazel 團隊設計的基因工具及其應用提交了專利申請。這項歐洲專利申請（EP18306780）於 2018 年 12 月 20 日提交，名為「內含肽介導的蛋白剪接系統——在控制蛋白及靶細胞內部毒素表達中的應用」（Intein mediated protein splicing system for controlled expression of proteins - Use in the expression of toxins in target cells）。

除第一段提到的組織外，本研究還獲得了歐洲「地平線 2020 計劃」（Horizon2020）中未來與新興科技計劃（Future and Emerging Technologies）、LabEx 聯盟 IBEID 和法國醫學研究基金會（French Foundation for Medical research, FRM）的資助。

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