2016年9月份，哈佛大学和以色列理工学院的科学家发表在《科学》上的一项研究成果[1]，在社会上引起轩然大波。
他们发现，在实验室条件下，大肠杆菌对达到最低致死浓度1000倍的抗生素产生耐药性，仅仅需要10天时间。
当研究人员换一种抗生素后，也观察到类似的现象。而他们给研究过程录制的视频，更是触目惊心。
黑底的培养基从两边到中间分成5个浓度梯度（0-1000倍），培养基上面是白色的细菌从两边往中间（抗生素浓度由低到高）飞速往中间生长[1]
吃不吃惊？意不意外？害不害怕？
在我们吃惊、意外、害怕的时候，科学家却非常好奇：细菌究竟是如何在有抗生素存在的情况下产生耐药性的？
近日，来自法国国家健康与医学研究院（INSERM）的科学家，终于揭开了这个几乎自抗生素诞生之日起，就挥之不去的耐药性问题[2]。
借助于自主开发的实验系统，他们不仅亲眼目睹了耐药性在细菌之间传递的全过程，还发现了在抗生素存在的条件下，细菌耐药的绝技。再次让奇点糕相信，“凡是杀不死你的,都会让你变得更强大”。
先给大家看图[2]
绿色的是耐药菌，红色的是不耐药菌。
红色菌里面的小亮点，是耐药菌传递的质粒的表现
注意看，很多红色的菌变成绿色耐药的了
亚历山大·弗莱明在1928年发现了青霉素，开启了抗生素拯救人类的历史。
然而，在这个抗生素使用了几年之后，一些金黄色葡萄球菌为了生存，被迫进化出了专门降解抗生素的β-内酰胺酶。没过多久，约50%的金黄色葡萄球菌感染用青霉素已经无效了[3]。
如上文所述，在理想的条件下，细菌只需10天，就能获得1000倍，甚至10万倍于最低致死剂量的耐药性。
而人类发现一种新的抗生素，少则需要一两年，多则需要一二十年[4]。更要命的是，从1990年以来，人类几乎没有发现新的抗生素种类了[5]。世界卫生组织2017年9月份宣布，“确认世界的抗生素频临枯竭”[6]。
耐药细菌留给科学家的时间不多了。
来自WHO
熟悉细菌的人都知道，细菌有个独特的小圆环状DNA，它叫质粒，它可以在细菌之间自由转移（我们可以把质粒看做优盘，它可以即插即用）。细菌为了让耐药性便于在细菌之间传递，就把耐药相关基因存在了质粒上。
质粒这个巧妙的设计，让很多细菌不再惧怕抗生素。不过科学家也从这种耐药性传递方式中发现了破绽。
质粒虽然能在细菌之间传递耐药基因，但是基因生产出对抗抗生素的蛋白质，还需要一个很长过程。如果想办法阻断细菌蛋白质的合成，耐药性的传递就无从谈起了哇。
四环素就是这样一种抗生素。
（四环素在人类历史上的作用恐怕不用奇点糕再介绍了）
理论上讲，四环素能杀掉所有对四环素没有耐药性的细菌，即使不耐药的细菌临时从耐药菌那里获取了有耐药基因的质粒。因为，不耐药细菌体内合成蛋白质的系统已经瘫痪，携带耐药基因的质粒来了，也无力回天。这种情况下，耐药菌只能眼睁睁看着不耐药的同类，被四环素杀死。
不过，慢慢地科学家却发现，实际情况并不是这样。现实是：即使四环素一直存在，没有耐药基因的细菌，一旦得到耐药质粒之后，就产生了耐药性。
这简直是对四环素作用机制的侮辱啊。
INSERM的Christian Lesterlin教授实在是看不下去了：不带这么欺负四环素的。
Lesterlin就想看看，不耐药的细菌里到底发生了什么，为什么能从四环素的正义之剑下逃脱。
为了能看到全过程，他们首先开发了一个荧光显微成像系统，以便在单细胞水平跟踪携带耐药基因质粒的转移。
然后选择大肠杆菌为实验对象，因为之前的研究已经发现，大肠杆菌利用质粒上的耐药基因，合成了一个四环素分子泵TetA[7]，这个泵专门负责把进入细菌体内的四环素抽到体外，这样细菌的生长就不受四环素的影响了。
该图片由Gerd Altmann在Pixabay上发布
在四环素暴露的条件下，当他们把携带耐药基因的质粒，从耐药菌中转移到不耐药菌体内时，不耐药的细菌很快就出现了四环素泵TetA。
这个现象让Lesterlin和他的团队目瞪口呆。
“F……四环素，你怎么回事儿？怎么能让细菌合成四环素泵呢？”
“不对不对，肯定不是四环素失职，它抑制蛋白合成的技能是被反复证实的，肯定不会出错。”
“难不成是，耐药菌在给质粒的时候，把四环素泵也一起捎带过去了？”
“肯定是这样。”
“不对啊，质粒和蛋白会一起转移的观点，30年前就有人提过了[8]，到现在都没有人能证明这一点。”
经过上面一番挣扎（对话过程纯属虚构，思考流程大概如此），Lesterlin团队还是决定，先检验最容易想到的原因。如果被证实，也是个大发现啊。
遗憾的是，无论如何，他们都拿不到耐药菌把四环素泵转给不耐药菌的证据。
来自INSERM
就在这“山穷水复疑无路”的时候，不知道是哪位作者提出，“要不我们研究下AcrAB-TolC吧。”
要是搁在平时，大家肯定会认为这个实验员是被实验过程折磨的神经错乱了，是会被嘲笑的。
因为这个AcrAB-TolC也是个泵，它几乎存在于所有细菌中，没有特异性，啥都能往外排，而且效率极低[9，10]。
这么说吧，如果把四环素泵TetA看做是超大功率抽水机的话，那AcrAB-TolC就相当于一双小手（很抱歉，标题里把它说成“狗洞”了），它能把一些物质一捧一捧地捧到细胞外。当然，也不是说它完全没用，在有害物质非常少的时候，它也能起一定的作用。
那行吧，既然也找不到突破口，就“死课题当活课题做”，先研究研究AcrAB-TolC吧。
耐药的机制示意图
结果又让研究人员目瞪口呆了。
居然真是AcrAB-TolC帮了大忙。
他们发现，这个被小觑的AcrAB-TolC并不是通过把细胞内的四环素全部清除干净，让细胞对四环素耐药。而是通过AcrAB-TolC“这双小手”，尽可能把细胞内的四环素控制在一个适中的浓度，恰好给了质粒上耐药基因一个合成四环素泵TetA的机会。
这可真是个大肠杆菌版的励志故事啊。
在随后的研究中，研究人员还证实，大肠杆菌的AcrAB-TolC“小手”不仅能搞定四环素，连氯霉素、红霉素和利福平来袭时，它也能出手相救。
大肠杆菌耐药的故事告诉我们，不管处境有多艰难，只要一息尚存，就应该努力，哪怕是一捧一捧，一步一步。
只要你做了，就一定会有改变，等到机会来的时候，你才能接得住啊。
好像跑题了……
总而言之，这个研究让科学家意识到了AcrAB-TolC这个多药外排泵的重要性。虽然大肠杆菌很努力，精神也很感人，也值得我们学习，但是堵死AcrAB-TolC这个泵，可能是避免耐药菌产生的关键步骤。
好了，到此结束。
让本奇点糕找个地方哭一会儿，确实被大肠杆菌感动了。
编辑神叨叨
2017年，科学家发现，他汀可以神奇地消除超级细菌的耐药性。
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参考资料：
[1].Baym M H, Lieberman T D, Kelsic E D, et al. Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes[J]. Science, 2016, 353(6304): 1147-1151. DOI：10.1126/science.aag0822
[2].Sophie Nolivos, Julien Cayron, et al. Role of AcrAB-TolC multidrug efflux pump in drug-resistance acquisition by plasmid transfer[J]. Science, 2019, 364(6442): 778-782. DOI：10.1126/science.aav6390
[3].Fishovitz J, Hermoso J A, Chang M, et al. Penicillin‐binding protein 2a of methicillin‐resistant Staphylococcus aureus[J]. Iubmb Life, 2014, 66(8): 572-577. DOI：10.1002/iub.1289
[4].Silver L L. Challenges of Antibacterial Discovery[J]. Clinical Microbiology Reviews, 2011, 24(1): 71-109. DOI：10.1128/CMR.00030-10
[5].http://apps.who.int/iris/bitstream/10665/258965/1/WHO-EMP-IAU-2017.11-eng.pdf?ua=1
[6].http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2017/running-out-antibiotics/zh/
[7].Saenger W, Orth P, Kisker C, et al. The tetracycline repressor—a paradigm for a biological switch[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2000, 39(12): 2042-2052. DOI：10.1002/1521-3773(20000616)39:12<2042::AID-ANIE2042>3.0.CO;2-C
[8].Rees C E D, Wilkins B M. Protein transfer into the recipient cell during bacterial conjugation: studies with F and RP4[J]. Molecular microbiology, 1990, 4(7): 1199-1205. DOI：10.1111/j.1365-2958.1990.tb00695.x
[9].Thanassi D G, Cheng L W, Nikaido H. Active efflux of bile salts by Escherichia coli[J]. Journal of bacteriology, 1997, 179(8): 2512-2518. DOI：10.1128/jb.179.8.2512-2518.1997
[10].Li X Z, Plésiat P, Nikaido H. The challenge of efflux-mediated antibiotic resistance in Gram-negative bacteria[J]. Clinical microbiology reviews, 2015, 28(2): 337-418. DOI：10.1128/CMR.00117-14
本文作者丨BioTalker
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