圖片來自Yen-Pang Hsu。
2017年2月18日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國印第安納大學、哈佛大學、荷蘭代爾夫特理工大學和英國紐卡斯爾大學的研究人員首次非常詳細地揭示出促使細菌發生細胞分裂的生化時鐘運作機制。相關研究結果發表在2017年2月17日的
Science期刊上，論文標題為「Treadmilling by FtsZ filaments drives peptidoglycan synthesis and bacterial cell division」。
這一發現是利用印第安納大學開發的一種用來讓細菌細胞壁著色的革命性方法而取得的。它可能有助開發抵抗抗生素耐藥性細菌的藥物。
在全世界，抗生素耐藥性細菌或者說「超級細菌」給人類健康造成重大風險。世界衛生組織（WHO）估計每年大約有48萬人患上多藥耐藥性肺結核。美國疾病控制中心（CDC）估計在，在長期感染的病人當中，每4名醫院獲得性感染病例中，就有1例是由6種主要的超級細菌菌株導致的。
論文共同作者、印第安納大學布盧明頓文理學院生物學系Yves Brun教授說，「這是首次研究參與細菌細胞分裂的每個細胞組分之間存在的關聯性。我們最終揭示出這種關聯性，而且為開發更加準確的方法抵抗抗生素耐藥性細菌打開大門。」
Brun說，「如果你理解一臺發動機的工作原理，那麼你能夠移除單個零件關閉它。你不再需要將一把錘子扔到這臺發動機的可動部件中破壞它。」
早期的抗生素藥物（如青黴素）像一把錘子那樣發揮功能：在細菌細胞分裂期間，誘導製造細胞壁的被稱作青黴素結合蛋白（PBP）的酶結合這種藥物而不是結合細胞壁的構成單元（building block），從而誘導細胞壁破裂和細胞瓦解。
促進細菌分裂的其他組分包括被稱作FtsA和FtsZ的細胞骨架蛋白。FtsA和FtsZ在細胞內部形成骨架類似的纖維（FtsAZ纖維），從而指導細胞壁在細胞分裂期間遭受破壞。在細菌細胞分裂期間，所有的這三種組分必須協作在細菌細胞的中間構建細胞壁，從而確保在它一分為二產生兩個新的子細胞後，子細胞內部的材料不會逃離。
事實上，細菌細胞的這三種組分在細胞分裂中的作用是已知的，但是這項新的研究是首次證實它們如何精確地協作。重要的是，Brun說，當製造細胞壁時，FtsZ起著領班的作用，指導著PBP「工人」遷移。
這些研究人員能夠利用高技術的被稱作螢光D-胺基酸（fluorescent D-amino acid, FDAA）的多色染料檢測這三種組分的作用機制。FDAA是由印第安納大學布盧明頓文理學院化學系教授Michael VanNieuwenhze實驗室在5年前發現的。VanNieuwenhze也是這項新的研究的共同作者。
VanNieuwenhze說，「在細胞壁構建過程期間利用這些染料的不同顏色揭示出一種靶心圖案（bull's-eye pattern），這表明這種環形細胞壁是從細胞內部的外邊緣到中心構建的。」
這項研究也解決了另一個秘密：FtsZ如何構建細胞壁？這些研究人員發現在FtsAZ纖維中排列的FtsZ在一端不斷地丟失一個分子，在另一端不斷地獲得一個分子，從而導致在細胞邊緣發生一種被稱作踏車（treadmilling）的圓周運動。
印第安納大學研究人員利用化學手段對細菌細胞進行標記以便開展分析。哈佛大學研究人員開展實驗，展示了FtsZ和PBP蛋白在這些細胞內部的運動。
論文共同作者、VanNieuwenhze實驗室博士生Erkin Kuru說，「這是我們首次能夠動態地觀察細胞分裂。在之前，我們缺乏觀察它的工具，因而這是不可能實現的。」
論文共同作者、VanNieuwenhze實驗室博士生Yen-Pang Hsu補充道，「考慮到含有這些細胞結構的有機體的寬度少於1微米，可視化觀察它們並不是一件小的任務。若沒有印第安納大學光學顯微成像中心開發的這種觀察技術，我們不能夠測量這些細胞中的螢光圖案。」（生物谷 Bioon.com）
本文系生物谷原創編譯整理，歡迎轉載！點擊 獲取授權 。更多資訊請下載生物谷APP。原始出處：Alexandre W. Bisson-Filho, Yen-Pang Hsu, Georgia R. Squyres et al. Treadmilling by FtsZ filaments drives peptidoglycan synthesis and bacterial cell division. Science, 17 Feb 2017, 355(6326):739-743, doi:10.1126/science.aak9973.