美國能源部布魯克海文國家實驗室（(BNL)）的生物學家和他們的合作者發現了一種對細菌致命的反常蛋白質。在4月29日發表在《PLOS ONE》雜誌上的一篇論文中，科學家們描述了這種錯誤的蛋白質如何模仿氨基糖苷類藥物（一類抗生素）的作用。新發現的蛋白質可以作為科學家破譯這些藥物對細菌致命影響的具體細節的模型–並可能為未來的抗生素指明方向。
領導這項研究的布魯克海文國家實驗室生物學家Paul Freimuth說：“確定細菌的新目標和控制細菌生長的替代策略將變得越來越重要。”他解釋說，細菌正在對幾種常規使用的抗生素產生抗藥性，許多科學家和臨床醫生對這些抗生素抗藥性細菌引起的大規模流行病的可能性感到擔憂。
“我們發現的東西離成為一種藥物還有很長的路要走，但第一步是要了解其機制，”Freimuth說。“我們已經確定了一種單一的蛋白質，它模擬了當細菌被氨基糖苷處理時產生的複雜的異常蛋白質混合物的效果。這使我們有辦法研究殺死細菌細胞的機制。然後也許可以開發一個新的抑製劑系列來做同樣的事情。”
布魯克海文國家實驗室的科學家們通常專註於與能源有關的研究，當他們開始這個項目時並沒有考慮到人類健康。他們正在使用大腸桿菌研究參與構建植物細胞壁的基因。這項研究可以幫助科學家了解如何更有效地將植物物質（生物質）轉化為生物燃料。
但是當他們打開一個特定的植物基因的表達，使細菌能夠製造這種蛋白質時，細胞立即停止了生長。“這種蛋白質對細胞有一種急性毒性作用。所有的細胞在開啟這個基因的表達後幾分鐘內死亡，”Freimuth說。
了解這種快速抑制細胞生長的基礎，對於在Freimuth實驗室工作的暑期實習生來說是一個理想的研究項目。他說：“實習生可以在一天內進行實驗並看到效果。也許他們可以幫助弄清為什麼一種植物蛋白會造成如此巨大的損害。”
Freimuth說：“那是它真正開始變得有趣的時候。”
該小組發現，有毒的因素根本不是一種植物蛋白。它是一串氨基酸，即蛋白質的組成部分。
當細菌的核糖體（細胞的蛋白質製造機器）在翻譯構成遺傳密碼的字母時，這種“說不通”的鏈子被錯誤地製造出來。核糖體不是以三個字母為一組來讀取編碼一個特定氨基酸的代碼，而是只讀取一個組的后兩個字母和下一個三聯體的第一個字母。這導致了將錯誤的氨基酸放置在原位。
“這就像讀一個句子，從每個詞的中間開始，然後把它和下一個詞的前半部分連接起來，產生一串胡言亂語，”Freimuth說。
這種胡言亂語的蛋白質讓Freimuth想起了一類叫做氨基糖苷類的抗生素。這些抗生素迫使核糖體在構建蛋白質時犯類似的”相位”錯誤和其他類型的錯誤。其結果是：所有細菌的核糖體都會製造胡言亂語的蛋白質。
“這就像讀一個句子，從每個詞的中間開始，然後把它和下一個詞的前半部分連接起來，產生一串胡言亂語，”Freimuth說。
這種“說不通”的蛋白質讓Freimuth想起了一類叫做氨基糖苷類的抗生素。這些抗生素迫使核糖體在構建蛋白質時犯類似的”相位”錯誤和其他類型的錯誤。其結果是：所有細菌的核糖體都會製造這種蛋白質。
“如果一個細菌細胞有5萬個核糖體，每個核糖體都在製造不同的反常蛋白質，那麼毒性效應是由一個特定的反常蛋白質造成的，還是由許多蛋白質的組合造成的？”Freimuth說：“這個問題幾十年前就出現了，但一直沒有得到解決。”
根據目前的發現，僅僅一個異常蛋白就足以產生毒性作用。這並不太牽強。氨基酸的鏈不能正常摺疊，無法成為完整的功能。儘管摺疊錯誤的蛋白質在所有細胞中都會因偶然的錯誤而產生，但它們通常會被健康細胞中的”質量控制”機器檢測並完全消除。質量控制系統的崩潰可能使異常蛋白質積累，導致疾病。
混亂的質量控制
研究人員的下一步計劃是找出異常的植物蛋白是否能激活細菌細胞的質量控制系統，或者以某種方式阻止該系統工作。
Freimuth和他的團隊發現，異常的植物蛋白確實激活了蛋白質質量控制的最初步驟，但該過程中直接需要降解異常蛋白質的後期階段被阻止了。他們還發現，細胞生命和死亡之間的區別取決於異常蛋白的產生速度。
Freimuth說：“當細胞含有許多編碼異常植物蛋白的基因副本時，質量控制機器檢測到了該蛋白，但無法完全降解它。然而，當我們減少基因拷貝的數量時，質量控制機器能夠消除有毒的蛋白質，細胞得以存活。”
他指出，同樣的事情發生在用亞致死劑量的氨基糖苷類抗生素處理的細胞中。他說：“質量控制反應被強烈激活，但細胞仍然能夠繼續生長。”
機制的模型
這些實驗表明，單一的異常植物蛋白殺死細胞的機制與氨基糖苷類抗生素誘導的異常蛋白的複雜混合物相同。但細胞死亡的精確機制仍然是個謎。
Freimuth說：“好消息是，現在我們有一個單一的蛋白質，有一個已知的氨基酸序列，我們可以把它作為一個模型來探索這一機制。”
科學家們知道，用抗生素處理的細胞會出現滲漏，讓鹽類等有毒物質滲入。一種假設是，錯誤摺疊的蛋白質可能在細胞膜上形成新的通道，或者干擾現有通道的閘門，使鹽和其他有毒物質擴散到細胞膜上。
Freimuth表示：“下一步將是確定我們的蛋白質與膜通道複合的結構，以研究該蛋白質如何可能抑制正常的通道功能。”
這將有助於推進對氨基糖苷類抗生素誘導的異常蛋白如何殺死細菌細胞的理解–並可能為設計新的藥物以引發相同或類似的效果提供信息。