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细菌是如何从宿主体内窃取铁

2019-08-12 12放线菌结核病

与人类宿主一样,细菌也需要铁来生存,它们必须从环境中获取铁。虽然人类获取铁主要是通过他们吃的食物,但细菌已经进化出复杂多样的机制,使他们能够获得铁。

雪城大学(Syracuse University)化学助理教授Robert Doyle领导的一个研究小组发现,一些细菌拥有一种基因,能够以独特而高效的方式从环境或人体宿主中获取铁。Doyle的发现可能为研究人员提供针对结核病等疾病的新方法。

这项研究将发表在美国微生物学会出版的《细菌学杂志》8月号上(第190卷,第16期)。

Doyle说:“铁是生存所必需的最重要的微量营养素。”“了解这些细菌是如何在我们体内茁壮成长的,是学习如何战胜它们的关键因素。”

细菌是如何从宿主体内窃取铁

放线菌家族:链球菌

Doyle的研究小组对链球菌进行了研究,链球菌是一种革兰氏阳性细菌,与引起结核病的细菌密切相关。链霉菌在土壤和腐烂的植被中大量存在,但不影响人类。结核杆菌和链霉菌都属于放线菌家族。这些细菌有一种独特的防御机制,使它们能够产生化学物质来消灭敌人。其中一些化学物质被用来制造抗生素和其他药物。

放线菌需要大量的铁来对它的敌人发动化学战;然而,铁在细菌生活的环境中不易获得,例如从人类或土壤中获得。土壤中的一些铁与柠檬酸结合,形成一种叫做柠檬酸铁的化合物。柠檬酸盐是一种细胞可以用作能量来源的物质。Doyle和他的研究小组想知道这种复合柠檬酸铁是否可能是这种细菌的铁来源。在两年多的一系列实验中,研究人员观察到链霉菌可以摄取柠檬酸铁,代谢铁,并将柠檬酸作为一种自由的能量来源。其他实验表明,当柠檬酸不与铁结合时,细菌忽略了它;同样,当柠檬酸与镁、镍和钴等其他金属结合时,细菌也会忽略它。

细菌是如何从宿主体内窃取铁

细菌摄取柠檬酸铁的机制

下一个任务是揭示细菌摄取柠檬酸铁的机制。计算机模型预测,单个链霉菌基因使细菌能够识别并摄取柠檬酸铁。研究人员分离出该基因,并将其添加到大肠杆菌中(大肠杆菌不是放线菌)。他们发现突变的大肠杆菌也能摄取柠檬酸铁。没有这种基因,大肠杆菌就无法获得铁。

Doyle说:“令人惊讶的是,这种细菌竟然能学会以这种方式从环境中提取铁。”“我们进行这些实验时,并不知道这种机制的存在。但是,细菌必须具有创造性才能在一些非常恶劣的环境中生存;他们可能有35亿年的时间来解决这个问题。”

细菌是如何从宿主体内窃取铁

Next:证实相关基因在结核病细菌中的功能

链霉菌的基因可以使细菌被动地将柠檬酸铁扩散到细胞膜上,这意味着细菌不需要额外的能量来吸收铁。一旦进入细胞,细菌就会代谢铁,作为额外的好处,它们还会利用柠檬酸盐作为能量来源。Doyle的团队首次在放线菌家族的细菌中发现了这种机制。研究小组计划进行进一步的实验,以证实该基因在结核病细菌中也具有同样的信号功能。如果是这样,这一机制有可能被用于对抗结核病。

Doyle说:“结核细菌能够获得血液中流经肺部的大量柠檬酸铁。”“找到一种不需要消耗能量就能将铁从人类体内偷偷输送到细菌体内的方法,是一件非常棒的事情。我们的发现可能使其他人找到一种方法来限制结核对柠檬酸铁的接触,使这种细菌更容易受到药物治疗。”

引用

Syracuse University. "How Some Bacteria May Steal Iron From Their Human Hosts." ScienceDaily. ScienceDaily, 2 August 2008.
www.sciencedaily.com/releases/2008/07/080731140223.htm.

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