Acinetobacter baumannii利用LPS抵御抗生素TA的入侵

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虽然鲍氏不动杆菌(Acinetobacter baumannii)曾经被认为是一个低毒力的细菌,但是该菌目前已被世界各大医疗机构公认为最具危险性的条件致病菌之一。尽管不动杆菌属在自然界中无处不在,并且非常容易从自然环境中分离得到,但是A.baumannii除了在医院环境中被发现以外,很难从自然界中分离得到。根据目前已知报道,A.baumannii已经涉及到多种与高发病率或高死亡率相关的医院内感染,例如呼吸机相关性肺炎、伤口感染、血液感染、继发性脑膜炎、皮肤及软组织感染和泌尿道的感染等。然而A.baumannii能够在多种生物和非生物表面上形成生物膜以及能够抵抗多种抗生素入侵的能力在A.baumannii引发医院内大面积感染的过程中起到了十分重要的作用。  许多A.baumannii株能够将其浮游的细胞附着到不同的亲水或疏水固体基质的表面,例如医院设备,生物体内留置的医疗装置以及支气管上皮细胞等等。由其自身分泌产生的胞外基质(ECM)包裹在A.baumannii细胞的表面,最终在被附着固体基制的表面形成生物膜。这种生物膜式的生活方式能够为A.baumannii细胞提供一种稳定的保护措施,允许其在恶劣的环境中生存并伺机繁殖到新的环境中去,这在一定程度上提高了院内感染的风险。  基于此,我们对A.baumannii的成膜性进行了分析。我们分别选取了不同亲/疏水特性的塑料和玻璃材质作为固体基质,观察A.baumannii野生菌株和耐colistin突变菌株在其上面形成生物膜的能力。结果显示,相较于亲水性的固体基质,无论是A.baumannii野生菌株还是耐colistin突变菌株都倾向于在疏水性的固体基质上形成生物膜。随后,我们又试图从物理和化学的角度去寻找可以去除A.baumannii生物膜的方法。通过对比,我们发现相比于超声清洗而言,采用SDS处理之后残存的A.baumannii生物膜明显下降。  除了可以在固体基质表面形成生物膜以外,目前临床上报道的A.baumannii菌株均表现出多重耐药的能力(multidrug-resistant MDR)。这是由于A.baumannii菌株自身具备多种抗生素的抗性机制所致:例如渗透性的缺陷,表达多种抗生素外排泵,产生可以降解或修饰抗生素的酶类以及改变抗生素药物作用的靶点。除此之外,A.baumannii菌株具有很强的从外界获取新遗传因子的能力。这种能力使得A.baumannii菌株的基因组变得更加开放,同时也在A.baumannii具备多重耐药表型的形成过程中发挥了重要作用。  随着临床上抗生素的大量使用,A.baumannii菌株的多重耐药能力逐渐增强,然而新型抗生素的研发却处于严重滞后的状态。寻找具有较广抗菌谱的新型抗生素成为一项迫在眉睫的任务。粘细菌可以产生丰富的次级代谢产物,并且多数代谢产物结构比较新颖并且具有很好的抑菌活性。与鲍氏不动杆菌不同,黄色粘球菌属于非条件致病菌,它主要存在于自然界的土壤中。在分类上属于变形菌门的δ-proteobacterium分支。作为一类捕食者,黄色粘球菌可以裂解被捕食细胞并利用其释放出来的营养物质供其自身生长,作为黄色粘球菌重要的武器——抗生素TA在这个过程中起到了重要作用。  在前期的筛选过程中我们发现黄色粘球菌DK1622细胞可以捕食A.baumannii耐colistin的突变菌株但是却无法捕食Abaumannii野生菌株。随后,我们对黄色粘球菌DK1622进行了大规模发酵,从其发酵液中纯化出了抗生素TA。抑菌实验表明,A.baumannii耐colistin的突变菌对抗生素TA变得十分敏感,但是A.baumannii野生菌株却可以抵抗抗生素TA的入侵。已有文献报道了抗生素TA的作用靶点是lspA基因编码的二型信号肽酶。我们对A.baumannii突变株和野生株中的lspA基因进行了测序分析,没有从中找到突变位点。同时qPCR的结果显示,A.baumannii突变株对抗生素TA变得十分敏感也不是由lspA表达水平变化所引起的。随后我们提取了A.baumannii野生株和突变株的脂多糖(LPS),通过SDS-PAGE电泳分析发现,A.baumannii突变株的LPS相较于野生株来说其结构发生了改变。通过测序分析,我们也进一步在lipid A的合成基因中发现了突变位点。同时,细胞通透性实验表明,A.baumannii突变株的LPS结构发生变化后,其细胞膜的透性大幅度提高。亲脂性的非特异性荧光探针能够顺利进入到胞内。鉴于抗生素TA属于一类亲脂性抗生素,A.baumannii胞外LPS的存在作为一道天然的屏障阻碍了抗生素TA的入侵,从而促使A.baumannii野生株对抗生素TA不敏感。  中国的浓香型白酒属于大曲制酒,在天然窖泥池中经过几个月的封闭固态发酵完成酿制。窖泥中存在、生长、富集和演替的微生物参与了整个酿酒过程。窖泥微生物的区系组成和代谢行为不但决定浓香型白酒的品质,同时也是形成浓香型白酒主体香型的主要决定因素。  为了分析浓香型白酒酿酒窖池中微生物的群落结构,我们与四川某酒厂合作,分别从1年新窖池和10年老窖池的上(距离顶端约0-20 cm)、中(距离顶端约80-100 cm)、下层中刮取了窖泥,从中提取了总基因组DNA。通过设计专门的引物对窖泥中古细菌和细菌的16S rRNA基因中的V3-V5区域(约500 bp)进行了PCR扩增,并采用pyrosequencing的方法进行高通量测序分析。我们从6组窖泥样品中得到了60,894条序列,采用mothur软件(version1.27.0,http://www.mothur.org/)剔除掉低质序列以及嵌合体序列后最终得到54,634条优质序列,平均读长514±60 bp。  结果显示,1年新窖池和10年老窖池的细菌群落结构差异较为明显,老窖池中的细菌种类明显比新窖池中的细菌种类丰富,尤其是古细菌存老窖池中更为丰富和多样。同种窖池的上、中、下层中的细菌群落结构也存在明显的差异性。随着时间的推移,老窖池的上、中、下层中的细菌群落结构虽然也存在差异,但是这种差异性相较于新窖池而言明显变小。  窖池中的微生物参与了整个发酵过程,同时他们的代谢行为也影响了浓香型白酒的品质。为了评估不同的窖泥细菌的代谢能力,我们试图从老窖池的下层窖泥中分离纯化功能细菌。最终共得到了32株细菌,分属于Bacillus、Rummeliibacillus、Clostridium和Paenibacillus四个属。根据进化分析的结果,我们从上述4个属种挑选了10株代表菌株进行了发酵,结合GC/MS分析我们发现所有这些菌株都能够产生多种有机化合物,包括醇,醚,醛,酮,酸,芳香族化合物,少量的杂环化合物以及它们的衍生物。同时我们利用GC/MS分析了1年新窖池和10年老窖池酿造的原浆白酒,发现其中的挥发性物质主要是各种酯、醇、脂肪酸、醛、缩醛、酮、内酯、呋喃衍生物和杂环化合物,其中酯、醇和脂肪酸是主要成分。这些主要成分恰恰是由窖泥细菌代谢产生的小分子化合物参与构成的。通过对比我们还发现:低分子量的酯类化合物(例如乳酸乙酯和己酸乙酯)在10年老窖池酿造的白酒中含量要明显高于1年新窖池酿造的白酒。然而一些高分子量的酯类化合物(例如棕榈酸乙酯,亚油酸乙酯,和油酸乙酯)在1年新窖池酿造的白酒中含量要明显高一些。这些物质含量上的差异可能是影响浓香型白酒品质的因素之一。  窖泥微生物的鉴定及其功能研究已经有过较多的报道。然而由于自然微生物系统的复杂性和技术手段的限制,目前传统酿造仍停留在神秘的经验主义阶段。窖泥微生物区系的结构、微生物的功能以及相互作用远未得到充分的认识,白酒的酿造仍然是近乎完全的传统技术和工艺,亟需现代微生物学知识和微生物技术提升和发展。
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