活大肠杆菌的显微镜图像，揭示了其保护性外膜的斑块性质。密集的蛋白质网络被光滑的无蛋白质岛（插图中的虚线标记）打断。信用：本等。伦敦大学学院

伦敦大学学院的研究人员记录了有史以来最清晰的活细菌图像，揭示了围绕许多细菌的保护层的复杂结构，使它们更难被抗生素杀死。

该研究于今天（2021 年 10 月 25 日）在美国国家科学院院刊上发表，并与国家物理实验室、伦敦国王学院、牛津大学和普林斯顿大学的科学家合作完成，揭示了具有保护作用的细菌外层——称为革兰氏阴性菌——可能在其表面上有更强和更弱的斑点。

研究小组发现，细菌的保护性外膜包含密集的蛋白质构建块网络，由似乎不含蛋白质的斑块交替排列。相反，这些贴片富含具有糖链（糖脂）的分子，可保持外膜紧密。

这是一个重要的发现，因为革兰氏阴性细菌坚硬的外膜阻止某些药物和抗生素穿透细胞：这种外膜是这些细菌（包括 鲍曼不动杆菌、 铜绿 假单胞菌和肠杆菌科细菌（如 沙门氏菌 和 大肠杆菌）现在被认为比革兰氏阳性细菌如耐药 金黄色葡萄球菌 （众所周知的 MRSA）的威胁更大。

“外膜是抵抗抗生素的强大屏障，是使感染性细菌对药物治疗产生抗药性的重要因素。然而，目前还不清楚这个障碍是如何组合在一起的，这就是我们选择如此详细地研究它的原因，”通讯作者 Bart Hoogenboom 教授（伦敦大学学院伦敦纳米技术中心和伦敦大学学院物理与天文学）解释道。

“通过研究从分子到细胞尺度的活细菌，我们可以看到膜蛋白如何形成一个跨越整个细菌表面的网络，为不含蛋白质的补丁留下小间隙。这表明屏障可能不会同样难以突破或延伸到整个细菌，但可能具有更强和更弱的点，抗生素也可以针对这些点。”

为了更好地理解这种结构，科学家们用一根小针在活的 大肠杆菌 （E.coli）上进行了测试，从而“感受”了它们的整体形状。由于针尖只有几纳米宽，因此可以观察细菌表面的分子结构。

结果图像显示，细菌的整个外膜都挤满了由蛋白质形成的微孔，这些孔允许营养物质进入，同时防止毒素进入。尽管已知外膜含有许多蛋白质，但这种拥挤和不动的性质是出乎意料的。

令人惊讶的是，这些图像还显示了许多似乎不含蛋白质的斑块。这些贴片含有通常存在于革兰氏阴性菌表面的糖脂。此外，当部分膜由于突变而被翻转过来时，形成了一种不同类型的疙瘩样斑块。在这种情况下，这些缺陷的出现与对杆菌肽的敏感性增强相关，杆菌肽是一种通常仅对革兰氏阳性菌有效但对革兰氏阴性菌无效的抗生素。

正如在伦敦大学学院 Hoogenboom 教授实验室对细菌进行显微镜检查的 Georgina Benn 所解释的那样：“教科书上的细菌外膜图片显示蛋白质以无序的方式分布在膜上，与膜的其他组成部分充分混合. 我们的图像表明情况并非如此，但脂质斑块与富含蛋白质的网络分离，就像油与水分离一样，在某些情况下会在细菌的盔甲上形成裂缝。这种观察外膜的新方法意味着我们现在可以开始探索这种顺序是否以及如何对膜功能、完整性和抗生素耐药性产生影响。”

研究小组还推测，这些发现可能有助于解释细菌如何在保持快速生长的同时保持紧密包装的保护屏障：普通细菌大肠杆菌的大小翻倍，然后在有利条件下在 20 分钟内分裂。他们认为糖脂贴片可能比蛋白质网络允许更多的膜拉伸，使膜更容易适应细菌不断增长的大小。

参考：“大肠杆菌外膜的相分离”，作者：Georgina Benn、Irina V. Mikheyeva、Patrick George Inns、Joel C. Forster、Nikola Ojkic、Christian Bortolini、Maxim G. Ryadnov、Colin Kleanthous、Thomas J. Silhavy 和Bart W. Hoogenboom，2021 年 10 月 25 日，美国国家科学院院刊。
DOI: 10.1073/pnas.2112237118

这项工作得到了 UKRI、美国国立卫生研究院、欧洲研究委员会和英国商业、能源和工业战略部的慷慨资助。