细菌玩“烫手山芋”游戏来清除有毒金属 了解这一机制有助于抑制细菌耐药性

细菌有一种狡猾的能力，能在不友好的环境中生存下来。

例如，通过一系列复杂的相互作用，它们可以识别有毒化学物质和金属，如银和铜，然后建立对它们的抵抗力。细菌依靠类似的机制来抵抗抗生素。

在大肠杆菌中，内膜感应蛋白CusS通过感应环境中的铜离子以簇状形式移动。CusS吸收转录调节蛋白CusR，然后分解ATP使CusR磷酸化，进而激活基因表达，帮助细胞抵御有毒的铜离子。

康奈尔大学的研究人员将基因工程、单分子跟踪和蛋白质定量结合起来，对这一机制进行了更深入的研究，并了解了它是如何工作的。这些知识可能会导致更有效的抗菌治疗的发展。

该团队的论文，“Metal-Induced Sensor Mobilization Turns on Affinity to Activate Regulator for Metal Detoxification in Live Bacteria”发表于5月28日的《美国国家科学院院刊》上。

“我们对基本机制非常感兴趣。”文理学院化学教授、论文的资深作者Peng Chen说，“更广泛的概念是，一旦我们知道了机制，那么我们也许可以想出更好的或替代的方法来破坏细菌抵御有毒化学物质的能力。这将有望有助于设计抑制细菌耐药性的新方法。”

细菌的抵抗力实际上是一个标签团队的工作，两个蛋白质一起在细胞内工作。一种位于内膜蛋白质(CusS)感知到化学物质或金属的存在，并向细胞浆或细胞间液中的调节蛋白(CusR)发送信号。这种调节蛋白与DNA结合，激活产生转运蛋白的基因，将毒素从细胞中清除。

通常情况下，科学家通过生化分析来分析这些功能，这些生化分析可以将蛋白质从细胞中去除。然而，这个过程阻止了科学家观察蛋白质在它们的自然环境中某些细节，如蛋白质之间的空间排列，仍然是模糊的。

为了进行更深入的分析，Peng Chen的团队使用了单细胞成像技术，他们用荧光信号标记活的大肠杆菌中的单个蛋白质，并逐个成像，跟踪它们的运动。这一过程产生了数以百万计的图像，并最终形成了一个精细的、定性的蛋白质运动图谱。 

研究小组对传感器蛋白的活动特别感兴趣，传感器蛋白有两种类型，一种聚集在一起，另一种在内膜周围移动。研究人员发现，当大肠杆菌遇到铜时，传感器蛋白中自由漂浮、移动的种类增加，而聚集的种类减少。动员的传感器蛋白与调节蛋白相互作用，启动一系列复杂的步骤——从结合铜到结合并分解复合ATP，最终导致基因表达——将金属从细胞中冲走。

“这些步骤中的一个未知因素是，传感器蛋白在什么位置与调节蛋白形成蛋白质-蛋白质复合物。” Peng Chen说，“我们发现，一旦传感器与铜结合，就会导致这种调节蛋白的补充。这在这一系列事件中发生得非常非常早。”

通过启动序列并在序列有时间衰减之前快速加速序列，提供了功能优势。 Peng Chen将这种策略比作一场烫手山芋。

 “如果我拿着一个烫手的山芋想给你，我不想在叫你之前还拿着山芋。” Peng Chen说，“我希望你就在我身边，这样我就可以马上把它传给你。否则，热山芋就会变冷。或者太热了，所以我不得不把它扔掉。用化学术语来说，基本上这个物种会腐烂或转移到其他物种。”

译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://phys.org/news/2020-05-track-bacteria-purge-toxic-metals.html

https://www.pnas.org/content/early/2020/05/27/1919816117