细菌如何共享基因并抵御防御机制
一项来自特拉维夫大学的新研究揭示了细菌如何中和其防御机制，从而促进细胞间更有效的遗传物质传递。研究人员相信，这一发现可以显著帮助对抗抗生素耐药性，并推进医学、工业和环境应用中的基因工程。
该研究由博士生布里娅·塞缪尔（Bruria Samuel）在特拉维夫大学生命科学学院Shmunis生物医学和癌症研究中心的大卫·伯斯坦（David Burstein）教授指导下进行。研究还得到了伯斯坦实验室成员卡琳·米特尔曼博士（Dr. Karin Mittelman）、希莉·克罗伊托鲁（Shirly Croitoru）和玛雅·本-海姆（Maya Ben-Haim）的贡献。
细菌生存中的DNA传递作用
遗传多样性对于生物体适应和在不断变化的环境中生存至关重要。虽然人类和其他许多物种通过有性繁殖实现这一点，但细菌依赖于替代机制。其中一个关键方法是细胞间的直接DNA传递，这一过程使得细菌能够快速交换和适应遗传信息。这种机制的例子包括抗生素耐药性在细菌种群中的迅速传播。
尽管这种DNA传递过程普遍存在，但它仍然有些神秘。细菌拥有复杂的设计用于摧毁外来DNA的防御系统，这引发了一个问题：质粒，即携带遗传物质的载体，是如何逃避这些防御的？
研究结合接合和质粒行为
该研究集中在接合，这是细菌DNA传递的主要机制。在此过程中，一个细菌通过微管连接到另一个细菌，通过这个管道传递称为质粒的遗传物质。伯斯坦解释说：“质粒是小的、环状的双链DNA分子，被分类为‘移动遗传元件’。像病毒一样，质粒从一个细胞移动到另一个细胞，但与病毒不同的是，它们不需要杀死宿主细菌来完成转移。”
由于质粒本质上是外来DNA，它们必须找到方法来逃避细菌的防御，以便在细胞内生存和复制。
与抗防御系统相关的基因
塞缪尔开始她的研究时分析了33,000个质粒，识别出与抗防御系统相关的基因，这些基因使质粒能够绕过细菌的防御。这些基因的位置是一个重要的发现。
“我识别出的抗防御系统的基因被发现在切割点附近集中，并以一种方式组织，使它们成为进入新细胞的第一个基因，”塞缪尔指出。“这种战略定位使基因在转移后立即激活，给质粒提供了中和受体细菌防御系统所需的优势。”
当塞缪尔首次展示她的研究成果时，伯斯坦承认他觉得“难以相信这样一个现象以前没有被发现”。经过广泛的文献回顾，他们确认没有先前的研究观察到这种模式。
质粒逃避防御系统
为了测试计算结果，研究团队进行了实验室实验。他们将带有抗生素耐药性的质粒引入配备了CRISPR（一种已知的细菌防御系统）的细菌中。这种设置使研究人员能够观察质粒是否能逃避CRISPR，并赋予受体细菌耐药性。
塞缪尔的实验表明，抗防御基因位于DNA入口附近的质粒成功克服了CRISPR系统，使细菌产生了耐药性。相反，抗防御基因位于其他位置的质粒被摧毁，细菌屈服于抗生素。
抗生素耐药性的意义
了解抗防御基因的战略定位可能促使发现新的抗防御系统，这是一个活跃的研究课题。这一发现也可能增强工业和研究环境中用于基因操作的质粒设计。
“我们的研究可以有助于设计更高效的质粒，用于工业过程中细菌的基因操作，”伯斯坦说。“虽然质粒已经广泛用于这些目的，但在实验室条件下基于质粒的基因转移效率远低于天然质粒。”
潜在应用包括设计质粒以阻止医院中的抗生素耐药性基因，使土壤和水中的细菌降解污染物，或通过修改微生物群落细菌改善人类健康。
生物技术的重大突破
这项研究被誉为生物技术的重大突破。特拉维夫大学技术转让公司Ramot的首席执行官罗南·克雷兹曼博士（Dr. Ronen Kreizman）强调了其潜力。
“这项新研究在开发针对耐药细菌的药物、合成生物学、农业科技和食品科技等领域开辟了革命性的可能性，”克雷兹曼博士说。“控制和微调细菌之间遗传物质的传递能力可能成为解决环境、农业和医疗挑战的强大工具。”
通过揭示质粒克服细菌防御机制的机制，这项研究为应对全球挑战（如抗生素耐药性和环境可持续性）提供了创新解决方案。
该研究发表在《自然》杂志上。
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