‘人们通常认为抗生素对细菌的生活方式有害，但在Nat. Commun和PNAS上的两项研究分别从不同角度提醒我们，某些细菌可能从施加特定抗生素的过程中获益。’

Nat Commun:细菌利用蹭动实现对抗生素的趋化

细菌利用趋化性对环境中的化学物质做出生理反应，调节自身运动。细菌的趋化性是指细胞响应化学梯度而改变其运动性以实现‘定向’运动的能力。细菌趋化行为主要是由鞭毛驱动的，大量的文献表明趋化性使细胞实现趋利避害：向有利条件移动并远离有害条件。但是，没有证据表明细胞会因抗生素反应而改变其鞭毛驱动的游动行为。除了游动相关的液体环境外，表面相关的生活史在细菌世界中占主导地位。在表面环境中，细菌可以形成由胞外基质包被的大型多细胞结构，即生物膜。生物膜对细菌在恶劣环境中的生存至关重要，也与致病菌的抗生素耐药性密切相关。铜绿假单胞菌等机会致病菌可以利用四型菌毛实现基于表面的蹭行运动（见文末相关阅读：蹭行运动与早期生物膜形成）。四型菌毛是细菌表面上的细蛋白丝，可以通过蛋白质亚基 PilA 的组装和去组装来进行伸展和收缩。四型菌毛的尖端可以起到钩住表面的作用，并通过循环的附着、伸展、收缩推动细菌在表面运动。蹭行运动与生物膜形成相关，但是，我们对细菌是否能够在表面上实现趋化运动知之甚少。

为了探究表面环境中的趋化行为，研究人员利用微流控芯片构建了基于表面的抗生素浓度梯度（图1A）。所选择的抗生素是用于铜绿假单胞菌感染治疗的环丙沙星（ciprofloxacin），其杀菌机制是抑制DNA螺旋酶活性。大约 5 小时后，细胞开始向环丙沙星的浓度较高的区域迁移（图1B-D）。在没有抗生素的对照中，细胞运动的方向近似随机。有趣的是，这种表面运动反应不仅限于环丙沙星，也适用于靶向RNA聚合酶的利福平和靶向核糖体的链霉素等。

图1. 蹭行运动使铜绿假单胞菌细胞偏向于高抗生素浓度区域

与鞭毛游动细菌实现趋化的机制类似（通过增加或减少运动转向频率使其自身接近或远离特定环境），研究人员通过量化细胞转向频率发现远离环丙沙星的细胞比趋近环丙沙星的细胞更频繁地改变逆转方向。

细菌为什么会向存在高浓度抗生素的环境移动，是趋向死亡吗？研究人员将荧光标记的WT蹭行趋化株和ΔpilG蹭行趋化缺损突变株混合后进行趋化实验，并在趋化实验后评估两株菌的生长状况。结果发现，从具有趋化能力的亚群中提取的细胞无法在不含抗生素的琼脂上形成菌落，与之相对的是生长良好的ΔpilG蹭行趋化缺损突变株（图2）。该结果说明利用蹭行趋化进入更高抗生素浓度环境的细胞会在那里迅速失去生长活力，并最终死亡。

图2. 细胞向抗生素迁移并死亡

细菌为什么会趋向抗生素？文章作者提出两种可能性：1）趋向有毒刺激可能是由于它们对细胞的不利影响而引起的不良适应反应。2）一种生态效应，具体地，铜绿假单胞菌可能把抗生素当成潜在威胁，为了与临近基因型争夺领地，大规模自杀以释放毒素。为证明上述假设，研究人员构建了一种荧光转录报告基因。该报告基因由 DNA 损伤或细胞裂解诱导。该毒素报告基因表明，在存在抗生素或者有害菌株上清液（Sup7）存在时细胞大量裂解释放毒素，而在无害菌株上清液（Sup14）则未有该现象（图3）。

图3. 当细胞向临床抗生素和从竞争菌株收集的有毒上清液移动时，细胞会产生细菌素（脓毒素）

该研究一方面表明表面相关的抗生素趋化行为对于抵达高浓度抗生素环境的细胞来说是致命的；另一方面，研究人员也观察到，在当传入的毒素逐渐减弱时情况下，一些细胞可能会在迁移中幸存下来。

PNAS: 抗生素对细菌的长期生长有益

在实验室中的最佳培养条件下，抗生素可以降低细菌的生长速度。然而，在现实环境中，细菌可能会快速生长，也可能会遇到营养供应不足的时期。我们对抗生素如何介导营养供应不足时的细菌生长知之甚少。

许多抗生素是由微生物合成的小分子，它们通过扩散到细胞外环境发挥作用。在细胞外环境中，尤其在空间结构的微环境中，这些小分子更有可能遇到附近的亲人而不是敌人。鉴于此，抗生素是否可以具有多功能性，既能造福亲人，又能伤害敌人？事实上，抗生素合成通常发生在压力时期，而不是在快速增长时期，此时最为重要的似乎是打击竞争对手。此外，加速死亡发生的杀菌抗生素与抑菌抗生素具有拮抗作用，这说明抑菌抗生素可能在某种程度上与细菌死亡本身具有拮抗作用。如果阻碍细菌生长不是抗生素的唯一目的，那么它还可能具有哪些其他功能？由于核糖体结合抗生素可以清除活性氧 (ROS)，研究人员探究了在营养胁迫期间细菌可能从抗生素受益的性状：种群寿命。“种群寿命”是指微生物种群维持在正向密度的时间，其中有至少一个细胞有产生新细胞的潜力，该术语不是指单个细胞的寿命。

研究人员探究了大肠杆菌(MG1655) 种群在较长时间内的生长和衰退。实验中使用了核糖体靶向抗生素（多西环素和红霉素）以及非核糖体靶向抗生素（青霉素和利福平）。研究人员将细菌培养液放置 28 天，期间不添加其他培养基、营养物或抗生素，从而迫使群体经历滞后期、指数生长期、稳定期和死亡阶段，且不会去除细胞裂解物或细胞外代谢物。在不使用抗生素的条件下，MG1655 的种群密度最初随着营养物质的利用而增加，随后单调下降。使用多西环素或红霉素后，单调下降密度的变化被振荡所取代，由此种群呈现出增长和下降的多个阶段（图1A,B）。使用曲线下面积 (AUC) 测量进行量化，结果表明多西环素和红霉素可延长种群寿命。然而，抗生素诱导的寿命并不适用于两种具有非核糖体靶点的抗生素（图1C,D）。此外，抗生素对种群寿命的促进作用在具有抗生素抗性的菌株（GB(c)）中消失（图1E）。

图1. 核糖体结合抗生素可以带来长寿的好处，但这种好处会被耐药机制所消除

尽管使用短期临床测定来评估抗生素的治疗效果可能仍然是合适的，因为面临免疫反应的病原体可能无法长期存活。然而，以上两项研究表明，在微生物长期承受营养压力的情况下，抗生素可以帮助细菌种群存活。

相关链接：

Nat. Commun: https://www.nature.com/articles/s41467-022-35311-4；PNAS: https://doi.org/10.1073/pnas.2221507120

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参考文献：Campoli-Richards DM, Monk JP, Price A, Benfield P, Todd PA, Ward A. Ciprofloxacin. A review of its antibacterial activity, pharmacokinetic properties and therapeutic use. Drugs. 1988 Apr;35(4):373-447. doi: 10.2165/00003495-198835040-00003. PMID: 3292209.

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