植物蛋白杀死细菌细胞：抗菌机制的新模型可能带来新的抗生素

领导这项研究的布鲁克海文国家实验室生物学家Paul Freimuth说：“确定细菌的新目标和控制细菌生长的替代策略将变得越来越重要。”他解释说，细菌正在对几种常规使用的抗生素产生抗药性，许多科学家和临床医生对这些抗生素抗药性细菌引起的大规模流行病的可能性感到担忧。

“我们发现的东西离成为一种药物还有很长的路要走，但第一步是要了解其机制，”Freimuth说。“我们已经确定了一种单一的蛋白质，它模拟了当细菌被氨基糖苷处理时产生的复杂的异常蛋白质混合物的效果。这使我们有办法研究杀死细菌细胞的机制。然后也许可以开发一个新的抑制剂系列来做同样的事情。”

布鲁克海文国家实验室的科学家们通常专注于与能源有关的研究，当他们开始这个项目时并没有考虑到人类健康。他们正在使用大肠杆菌研究参与构建植物细胞壁的基因。这项研究可以帮助科学家了解如何更有效地将植物物质（生物质）转化为生物燃料。

但是当他们打开一个特定的植物基因的表达，使细菌能够制造这种蛋白质时，细胞立即停止了生长。“这种蛋白质对细胞有一种急性毒性作用。所有的细胞在开启这个基因的表达后几分钟内死亡，”Freimuth说。

了解这种快速抑制细胞生长的基础，对于在Freimuth实验室工作的暑期实习生来说是一个理想的研究项目。他说：“实习生可以在一天内进行实验并看到效果。也许他们可以帮助弄清为什么一种植物蛋白会造成如此巨大的损害。”

Freimuth说：“那是它真正开始变得有趣的时候。”

该小组发现，有毒的因素根本不是一种植物蛋白。它是一串氨基酸，即蛋白质的组成部分。

当细菌的核糖体（细胞的蛋白质制造机器）在翻译构成遗传密码的字母时，这种“说不通”的链子被错误地制造出来。核糖体不是以三个字母为一组来读取编码一个特定氨基酸的代码，而是只读取一个组的后两个字母和下一个三联体的第一个字母。这导致了将错误的氨基酸放置在原位。

"这就像读一个句子，从每个词的中间开始，然后把它和下一个词的前半部分连接起来，产生一串胡言乱语，"Freimuth说。

这种胡言乱语的蛋白质让Freimuth想起了一类叫做氨基糖苷类的抗生素。这些抗生素迫使核糖体在构建蛋白质时犯类似的"相位"错误和其他类型的错误。其结果是：所有细菌的核糖体都会制造胡言乱语的蛋白质。

"这就像读一个句子，从每个词的中间开始，然后把它和下一个词的前半部分连接起来，产生一串胡言乱语，"Freimuth说。

这种“说不通”的蛋白质让Freimuth想起了一类叫做氨基糖苷类的抗生素。这些抗生素迫使核糖体在构建蛋白质时犯类似的"相位"错误和其他类型的错误。其结果是：所有细菌的核糖体都会制造这种蛋白质。

“如果一个细菌细胞有5万个核糖体，每个核糖体都在制造不同的反常蛋白质，那么毒性效应是由一个特定的反常蛋白质造成的，还是由许多蛋白质的组合造成的？”Freimuth说：“这个问题几十年前就出现了，但一直没有得到解决。”

根据目前的发现，仅仅一个异常蛋白就足以产生毒性作用。这并不太牵强。氨基酸的链不能正常折叠，无法成为完整的功能。尽管折叠错误的蛋白质在所有细胞中都会因偶然的错误而产生，但它们通常会被健康细胞中的"质量控制"机器检测并完全消除。质量控制系统的崩溃可能使异常蛋白质积累，导致疾病。

混乱的质量控制

研究人员的下一步计划是找出异常的植物蛋白是否能激活细菌细胞的质量控制系统，或者以某种方式阻止该系统工作。

Freimuth和他的团队发现，异常的植物蛋白确实激活了蛋白质质量控制的最初步骤，但该过程中直接需要降解异常蛋白质的后期阶段被阻止了。他们还发现，细胞生命和死亡之间的区别取决于异常蛋白的产生速度。

Freimuth说：“当细胞含有许多编码异常植物蛋白的基因副本时，质量控制机器检测到了该蛋白，但无法完全降解它。然而，当我们减少基因拷贝的数量时，质量控制机器能够消除有毒的蛋白质，细胞得以存活。”

他指出，同样的事情发生在用亚致死剂量的氨基糖苷类抗生素处理的细胞中。他说：“质量控制反应被强烈激活，但细胞仍然能够继续生长。”

机制的模型

这些实验表明，单一的异常植物蛋白杀死细胞的机制与氨基糖苷类抗生素诱导的异常蛋白的复杂混合物相同。但细胞死亡的精确机制仍然是个谜。

Freimuth说：“好消息是，现在我们有一个单一的蛋白质，有一个已知的氨基酸序列，我们可以把它作为一个模型来探索这一机制。”

科学家们知道，用抗生素处理的细胞会出现渗漏，让盐类等有毒物质渗入。一种假设是，错误折叠的蛋白质可能在细胞膜上形成新的通道，或者干扰现有通道的闸门，使盐和其他有毒物质扩散到细胞膜上。

Freimuth表示：“下一步将是确定我们的蛋白质与膜通道复合的结构，以研究该蛋白质如何可能抑制正常的通道功能。”

这将有助于推进对氨基糖苷类抗生素诱导的异常蛋白如何杀死细菌细胞的理解--并可能为设计新的药物以引发相同或类似的效果提供信息。