"机会"在抗生素耐药细菌出现中的作用

Konstantin Severinov 实验室的研究人员描述了机会在细菌获取和维持称为质粒的小 DNA 分子的过程中的作用。质粒上的基因使细菌对抗生素产生抗药性，为了对抗这种危险现象，有必要考虑研究中确定的模式。

Skoltech 已经确定了该病例在出现对抗生素有抗药性的细菌中的作用

该作品发表在 PNAS 上。质粒是小的环状 DNA 分子。一旦进入细菌细胞，它们就会利用其资源进行自我繁殖并传播给子细胞。细胞能够在 CRISPR-Cas 防御系统的帮助下对抗质粒。

CRISPR-Cas 的名称反映了该系统的两个关键组成部分。CRISPR是一种细菌以前遇到过的外来DNA样本数据库。它们用于识别重新入侵的噬菌体病毒或质粒。然后，这种外来 DNA 会被 Cas 蛋白破坏。

以前，人们认为，当被 CRISPR-Cas 系统识别时，质粒要么很快被破坏，要么改变（突变）它们的 DNA，使其对 CRISPR-Cas 不可见。也就是说，质粒无法承受与 CRISPR-Cas 的直接对抗。

“我们已经证明情况并非总是如此，”该研究的第一作者、Skoltech 博士生 Viktor Mamontov 说。“事实是 CRISPR-Cas 可以在单位时间内消除有限数量的质粒分子。由于质粒 DNA 不断被复制，因此对于每一对“质粒靶向 CRISPR-Cas”，这两个相反方向的过程的速率都会相互平衡。如果建立了这种平衡，那么质粒可以固定在细胞中，而不会积累额外的突变。”

数学模型表明，一小部分捕获质粒的细胞偶然会自发地与 CRISPR-Cas 平衡。Mamontov 解释说：“虽然当单个质粒进入细胞时，它几乎没有机会逃避 CRISPR-Cas 的保护，但如果它‘幸运’，它可以有时间在 Cas 蛋白破坏它之前进行繁殖。这不仅创造了质粒在具有抵消它们的 CRISPR-Cas 系统的细胞中稳定存在的可能性，而且还为质粒 DNA 中发生随机保护性突变提供了额外的机会，这将完全将其从 CRISPR 的作用中去除。 -卡斯。”

“如果我们从质粒在单个细胞内生存的斗争转移到细胞群的水平——例如，在培养皿上生长的细胞群——那么我们在这里也设法做出了意想不到的观察，”马蒙托夫说. — 可以假设，在含有抗生素的营养培养基上生长的菌落中，所有细胞都将含有带有抗生素抗性基因的质粒，尽管 CRISPR-Cas 系统存在反对意见。

事实证明，情况并非如此：大多数细胞根本没有质粒，而是在抗生素存在的情况下存在，代价是极少数细胞已在质粒和 CRISPR-Cas 之间达到稳定平衡。正是这些稀有细胞让其余细胞在抗生素存在的情况下得以存活。”

“显然，抗生素抗性细胞通过在它们周围创造安全空间来帮助其他细胞。一小部分带有质粒的细胞就足以满足整个人群的需求，”Mamontov 说。科学家们说，质粒随机绕过 CRISPR-Cas 的保护作用并达到平衡位置的能力使细菌种群更加稳定，增加了其多样性。单个细胞可以携带在当前条件下不需要的质粒，当条件发生变化时，它可能会变得有用，甚至可以拯救种群免于灭绝。

作者提出的模型包括质粒在单个细胞和细胞群中分布的上述特征，并将允许开发从病原菌细胞中去除抗生素抗性质粒的方法。不同国家的科学家正试图为此目的调整 CRISPR-Cas 系统：按照计划，他们将能够剥夺特别危险的抗性细菌的带有抗生素抗性基因的质粒。如果不了解 CRISPR-Cas 和质粒之间相互作用的复杂性，就不可能创建这样的工具。