让耐药细菌“自杀”：基于接合作用的抗菌新策略 | Nat Biotechnol.

来源：科研圈

法国研究人员开发一种新技术，用质粒分别编码毒素分子与内珠蛋白分子，借助接合作用把它送进耐药细菌内，产物结合生成活性毒素，精确杀死细菌。这种方法具有高度特异性，不会“误杀“有益菌群。

20 世纪初，当第一批抗生素被发现时，传染病的死亡率急剧下降。但如今，由于抗生素滥用，具有多重耐药性的细菌的出现也引发了关注，有人担心到了 2050 年，传染病可能将再次成为全球人口死亡的主要原因。

为了更好地应对这一潜在威胁，巴斯德研究所（the Institut Pasteur）、法国科学研究中心（CNRS）和马德里理工大学（Universidad Politécnica de Madrid）的科学家们成功编辑了质粒（细菌的一种遗传结构），使其能够特异性地杀死具有多重抗药性的细菌，同时不会对体内的其他益生菌产生危害。与正在开发的其他方法不同，这种方法产生新耐药性的可能性很低。该研究结果于 2019 年 4 月 15 日发表在《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上。

当使用抗生素治疗时，疗效分子攻击体内菌群中的所有细菌。这种非靶向的破坏会导致菌群失调，也就是说，菌群的生态系统平衡会被破坏，从而创造了致病菌出现和耐药性产生的机会。通过制定高特异性的抗菌策略，可以防止菌群失调带来的危害。例如，CRISPR-Cas9 工具可以靶向编辑致病菌的耐药基因，但是与这项技术相关的细菌脱靶概率（即病原体成功逃离被感染生物体所使用的各种防御机制）相对而言也是很高的。

在这项研究中，由巴斯德研究所教授迪迪埃•马泽尔（Didier Mazel）领导的科研团队开发了一种替代策略，通过接合作用转入强力毒素，并使其特异性表达，从而消灭细菌。接合作用（conjugation）是细菌通过质粒（一种细菌基因组特有的 DNA 分子）交换基因的过程。在这种新策略中，编码毒素的基因位于质粒内。“使用 II 型毒素-抗毒素系统的毒素看起来是个好主意，因为细菌似乎不会对这种毒素产生耐药性。但挑战是，如何严格调控这些毒素的威力。我们是这样做的：将毒素基因分成两个片段，从而确保只有当这两个部分重新组合时才会有效。”该论文的领衔作者（lead author）Didier Mazel 解释道。

科学家们在霍乱弧菌（Vibrio cholerae）中证实了这种毒素的特性。霍乱弧菌是一种海洋细菌，其天然宿主是某些特定的鱼类和贝类。“我们首先想要激活霍乱弧菌中的毒素表达，使用这种细菌特异性识别的启动子（转录所需的 DNA 区域）来表达和激活毒素复合物，”马泽尔继续说。然后他们进一步改进了这种“武器”，使这种毒素只能够靶向识别霍乱弧菌的耐药菌株。这涉及到创建一个基因模块，表达一种高度特异性的毒素抑制剂，当细菌含有抗性基因的时候它就不再表达了。通过结合这两种方法，他们开发了一种遗传结构，其有效性在斑马鱼和卤虫属（Artemia）内复杂的自然菌群中得到了活体验证。

“在这一替代策略中，细菌的逃逸水平非常低。它也很容易被改造，用于特异性消灭其他几种病原体。我们现在需要改进的是质粒传递基因的过程，”马泽尔总结。

巴斯德研究所和 CNRS 已经为 Didier Mazel 团队设计的基因工具及其应用提交了专利申请。这项欧洲专利申请（EP18306780）于 2018 年 12 月 20 日提交，名为“内含肽介导的蛋白剪接系统——在控制蛋白及靶细胞内部毒素表达中的应用”（Intein mediated protein splicing system for controlled expression of proteins - Use in the expression of toxins in target cells）。

除第一段提到的组织外，本研究还获得了欧洲“地平线 2020 计划”（Horizon2020）中未来与新兴科技计划（Future and Emerging Technologies）、LabEx 联盟 IBEID 和法国医学研究基金会（French Foundation for Medical research, FRM）的资助。