探索细菌的大规模武库，定制“益生菌”

　　牛津大学的研究人员发现了细菌武器多样化背后的进化原因。利用铜绿假单胞菌，他们证明了短程武器在低密度条件下有效，而远程武器在高密度条件下表现出色。这些知识对于开发对抗耐药细菌的新方法至关重要。

　　

一项新的研究是由牛津大学为什么确定物种细菌拥有惊人的武器库。该研究结果今天发表在《Nature Ecology & Evolution》杂志可以帮助我们设计能够摧毁致命病原体的微生物，减少我们对抗生素的依赖。

• 新的研究解决了为什么细菌经常携带各种武器的谜团。

• 研究结果表明，不同的武器最适合不同的竞争场景。

• 短程武器帮助细菌入侵已建立的群落;远程武器一旦建立起来就很有用。

细菌武器的多样性

许多种类的细菌拥有多种武器来攻击竞争对手。这些武器既包括需要直接接触邻近细胞的短程武器，也包括释放到环境中的毒素等远程武器。到目前为止，为什么细菌进化到携带如此广泛的武器一直是一个谜。

该研究的合著者Kevin Foster教授(牛津大学生物与生物化学系)说:“动物往往只携带一种武器，比如角或象牙，而细菌不同，细菌通常携带多种武器。但目前尚不清楚这一现象的进化基础是什么——为什么不投资于单一类型呢?一种理论是细菌携带多种武器，因为它们在竞争中发挥不同的作用。”

调查铜绿假单胞菌

研究人员使用机会致病菌铜绿假单胞菌进行了测试。由于多重耐药菌株的迅速出现，铜绿假单胞菌被世界卫生组织列为优先考虑的病原体。铜绿假单胞菌拥有多种武器，包括产生各种有毒分子(远程武器)的能力，以及固定在其外膜上的毒素细丝(近距离武器)。

该小组设计了一系列实验，以确定在何种条件下短程武器与远程武器具有更大的优势。他们使用基因组编辑技术产生了铜绿假单胞菌菌株，这些菌株缺乏并且对含有毒素的细丝或被称为tailocins的远程毒素敏感。然后将敏感菌株以一系列不同的比例与对照铜绿假单胞菌一起在琼脂板上生长两天。由于每种菌株都表达不同的荧光蛋白，研究人员可以量化攻击细菌与易感细菌的比例。

不同场景下的武器效能

实验结果清楚地表明，这两种武器在不同的条件下表现最佳。只有当攻击细菌密度很高且比竞争对手更常见时，这种远程武器才会有效。另一方面，携带毒素的细丝在更大范围的条件下具有竞争优势。这包括攻击细菌的初始数量很低，必须与大量易感细菌竞争的情况。

双重武器的优势

然后，研究人员对这两种基因工程菌株进行了直接的正面竞争。当菌株以相同的频率开始时，携带毒素细丝的细菌具有明显的优势。然而，两种武器使用者都能在多数人开始时获胜。

此外，当细胞可以同时使用这两种武器时，它们能够比只使用一种武器的菌株更好地抑制易感细菌，这表明短程和远程武器相辅相成。

启示与未来研究

根据研究人员的说法，结果表明，根据竞争情况，短程和远程武器的表现不同。合著者Sean Booth博士(牛津大学)说:“我们的研究结果表明，依赖接触的武器的一个特殊优势是，即使使用者在数量上处于劣势，它们也很有效。这表明，它们可能已经进化到使细菌能够入侵已建立的种群，当它们的数量超过常驻细菌时。”

这一理论得到了一个计算模型的支持，该模型模拟了少量攻击细胞攻击大量易感细胞的情况。在该模型中，使用近程武器的细胞能够成功入侵群落，而使用远程武器的细胞则不能。然而，当使用远程武器的细胞大量存在并且比竞争对手更常见时，这些细胞变得非常有效，给攻击者提供了显著的竞争优势。

研究人员现在正在研究如何将这些发现应用于定制设计的有益微生物，这些微生物可以与致病菌株竞争。

合著者William Smith博士(牛津大学和曼彻斯特大学)说:“这些结果让我们对细菌成功入侵并在社区中生存所需的武器类型有了宝贵的见解。最终，这可以帮助我们开发出不需要抗生素的方法来对抗多重耐药细菌。”

参考文献:

The evolution of short- and long-range weapons for bacterial competition” 30 November 2023, Nature Ecology & Evolution.