魏茨曼科学研究所 像这样的绿脓杆菌菌落形成了难以破解的生物膜
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当细菌连接在一起时，它们可能是最危险的——聚集在一起形成堡垒般的结构，被称为生物膜，使它们对抗生素产生耐药性
但是以色列的一名生物分子科学家和加州的一名微生物学家已经建立了他们自己的联系，这可能会导致新的协议来围攻生物膜保护的菌落
他们的研究发表在《国家科学院院刊》(PNAS)上
这种跨学科的合作始于魏茨曼科学研究所在生命科学学术讨论会上的一次演讲
教授
加州理工学院的戴安·纽曼是演讲人，该学院的教授
生物分子科学系的萨勒·弗莱希曼决定参加，尽管这个讲座与他自己的研究没有直接的关系
纽曼描述了她发现的一种酶，这种酶可以中断生物膜形成细菌绿脓杆菌的新陈代谢
当细菌达到高细胞密度并开始耗尽氧气时，这种酶会干扰细菌产生的分子(绿脓菌素)的功能，因此它有助于生物膜深处的细菌保持存活并更好地耐受常规抗生素
然而，这种分子是一把双刃剑:它也可能对磷有毒
生物膜外层有氧气的铜绿假单胞菌
由于绿脓菌素影响生物膜的形成和抗生素的耐受性，纽曼的实验室致力于寻找破坏其活性的方法
她说，纽曼唯一的问题是新发现的绿脓菌素阻断酶不稳定，产量很少，而且迄今为止，培养这种蛋白质的标准实验室方法并不成功
铜绿假单胞菌是一种机会性细菌，主要在患有潜在疾病的患者中引起疾病:在囊性纤维化患者的肺部、糖尿病患者的外周伤口以及医院患者的各种植入医疗器械上
难以根除的生物膜可能有助于感染甚至在治疗后复发，导致细菌对抗生素的耐药性增加，特别是在医院获得的菌株中
讲座结束后，弗莱舍曼向纽曼建议，他们可以尝试一种新的方法来生产大量的酶
他的实验室专门从事计算蛋白质设计，他们最近的一些工作包括重新设计疫苗蛋白质，使其更加稳定
罗莎莉·李普什-索科利克是他实验室的一名研究学生
研究助理奥尔加·赫尔松斯基(Olga Khersonsky)接受了设计一种改进的、更稳定的生物膜破坏酶的挑战
但这种酶不同于弗莱舍曼实验室以前研究过的任何一种，它需要他们开发一种新的方法:这是一种三聚体——三份相同的蛋白质“像桶一样捆在一起”，弗莱舍曼说，这意味着，除了单个蛋白质的结构之外，他们还需要理解整个包装是如何组装在一起的
该小组的第一步是将酶映射到它的原子结构
这给了他们一张蛋白质结合力的详细图片
当他们将三个拷贝的结果模型加在一起以理解三聚体的形成时，他们注意到，从原子的角度来说，拷贝之间的接触区域并不紧密，他们认为这些特殊的弱点将是设计更稳定结构的一个很好的起点
但是，即使在缩小了潜在的调节位点之后，这种蛋白质复合物的设计可能性还是很大的
利普什-索科利克最终采取了一种双管齐下的方法
首先是寻找由其他相似但略有不同的细菌制造的蛋白质，看看有什么可以借鉴的
第二种是一种“微妙的”原子设计方法，只识别酶上十几个可能被调整的点，并在这些点上尝试不同的氨基酸模型组合
弗莱舍曼实验室开发的计算机设计方法的美妙之处不仅在于它们可以在很短的时间内产生成千上万种不同的可能的蛋白质设计，还在于它们将蛋白质设计从最有可能起作用到根本不可能起作用进行了排序
尽管如此，要知道你的假设是否正确——关于需要强化的区域或酶在蛋白质序列发生变化的情况下仍能发挥作用的能力——唯一的方法是制造这些蛋白质，并在真正的生物系统中进行测试
输入Dr
切尔西M
范德里斯是纽曼实验室的博士后研究员，他领导了弗莱舍曼实验室设计的所有实验测试
弗莱什曼承认，当范德里斯和纽曼告诉他们，由于实验的高度挑战性，他们只能对10种设计的三聚体酶进行实验时，他的团队感到紧张
他们面临的挑战不仅限于创造这些新的蛋白质，还包括找出如何在实验室中以足够的数量纯化它们，然后结合标准的抗生素治疗，在真正的形成生物膜的铜绿假单胞菌上测试它们
问题是，研究小组不仅能产生更活跃的蛋白质，还能确定它的应用是否能促进生物膜的控制，并开始理解支撑这种酶作用的机制吗？ “当结果出来的时候，两个团队都欣喜若狂，”弗莱舍曼说:“十种设计的酶中有八种是在纽曼的实验室中以高于正常的数量生产的，似乎没有损害它们对抗生物膜的能力。”
范德里斯开玩笑地说，她现在可以生产这么多蛋白质，她“可以每天早上把它放进我的麦片里！”“这表明我们关于接触区域的假设是正确的，”弗莱什曼说
有一种酶似乎特别强，而且产量很大，所以范德里斯和纽曼一路走来:他们开始检查这种酶是否能与一种常用的临床抗生素一起根除生物膜，至少在实验室里是这样
事实上，他们发现这种酶与这种抗生素相结合，比他们预期的效果要好很多
进一步的分析表明，这种酶首先帮助抗生素以一种前所未见的方式杀死生物膜氧化外部区域的细菌，从而在短时间内导致活生物膜细胞总数的显著减少
弗莱什曼补充说，随着两组科学家之间的合作不断加深，他们通常阅读不同的期刊，参加不同的会议，并在不同的规模上用非常不同的方法进行实验——范德里斯甚至在第一次新冠肺炎封锁之前来到魏茨曼实验室——他意识到，对他来说，作为实验室计算蛋白质设计方法的测试，现在有很大的机会治愈一些最具侵略性的细菌感染
一切都归结于建立正确的联系
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