:科学家首次完整看到细菌从环境中夺取DNA的过程

来源: 学术经纬  2018-06-13 A- A+

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据世界卫生组织估计,每年将近有100万人受到了“耐药细菌”的影响,平均每分钟就有两人中招。这些细菌无比强悍,普通的抗生素对其作用有限,也给患者的治疗带来了限制。

细菌之所以会产生耐药性,背后有着多种原因。在自身快速的变异之外,细菌还会发挥“拿来主义”的精神,把其他细菌的抗性基因据为己有,帮助自己躲过抗生素的攻击。之前,我们对这一过程还知之甚少。而在最新一期《自然》子刊《Nature Microbiology》上,科学家们首次亲眼目睹了整个过程。

▲绿色的细菌将红色的DNA抓入体内(图片来源:《Nature Microbiology》)

先前,人们发现一种叫做霍乱弧菌(Vibrio cholerae)的细菌会从环境中夺取DNA,并纳入自己体内。这一过程离不开菌毛(pili)的参与。但菌毛是一种极其纤细的结构,只有头发丝的万分之一细。这也给研究人员们带来了观察上的极大不便。

印第安纳大学(Indiana University)的科学家们巧妙地解决了这一瓶颈。他们开发出了一种特殊的染料,能让菌毛在显微镜下发光。这样一来,我们就能捕捉到这些结构的动态。这一特殊的显微技术也在去年刊登在了《科学》杂志上。

▲这项研究的关键技术去年曾登上了《科学》(图片来源:《科学》)

有了这项工具,研究人员们终于能一探细菌从体外抓取DNA的过程了。他们利用同样的方法,对菌毛与DNA分别进行了染色。在显微镜下,他们惊讶地发现,菌毛就像是触手一般,一把将DNA拽进细菌体内。

▲普通显微镜下,好像什么都没发生(图片来源:《Nature Microbiology》)

▲特殊的染料让我们看到了细菌伸出菌毛(绿色),捕捉DNA(红色)的全过程(图片来源:《Nature Microbiology》)

这也是科学家们第一次看到菌毛还有这种作用。

“水平基因转移是跨菌种间传递抗生素耐药性的重要方式,但由于参与这一过程的结构小得不可思议,我们过去一直没能观察到整个现象,”该研究的通讯作者Ankur Dalia教授说道:“能够理解这个流程,是重要的一步。我们对细菌分享DNA的方式了解得越多,对其进行干扰的机会也就越大。”

▲细菌把DNA拖入细胞内的过程,很像穿针引线(图片来源:《Nature Microbiology》)

后续研究发现,这些菌毛就像是穿针引线一样,把DNA穿进细胞表面的小孔。这涉及了一种非常特殊的蛋白-DNA结合方式,也让研究人员们决定在后续研究中一探具体的分子机理。此外,他们也计划把这一创新的显微技术应用到更多细菌类型中,让我们更好地了解细菌耐药性的形成。

▲再从其他角度看看菌毛的伸长(图片来源:《Nature Microbiology》)

有人说,生物是一门“眼见为实”的学科,这话一点都不假。正是这些创新的显微技术,让我们能看清微观世界,了解生物学的种种不思议。而对于心怀好奇的人来说,没有什么比获得新知更令人愉悦的了。

参考资料:

[1] Retraction of DNA-bound type IV competence pili initiates DNA uptake during natural transformation in Vibrio cholerae

[2] Obstruction of pilus retraction stimulates bacterial surface sensing

[3] Scientists watch bacteria 'harpoon' DNA to speed their evolution

原标题:有趣!细菌竟会偷别人的DNA?科学家首次看到全过程

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