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在一项新的研究中，来自美国印第安纳大学、哈佛大学、荷兰代尔夫特理工大学和英国纽卡斯尔大学的研究人员首次非常详细地揭示出促使细菌发生细胞分裂的生化时钟运作机制。相关研究结果发表在2017年2月17日的Science期刊上，论文标题为“Treadmilling by FtsZ filaments drives peptidoglycan synthesis and bacterial cell division”。

这一发现是利用印第安纳大学开发的一种用来让细菌细胞壁着色的革命性方法而取得的。它可能有助开发抵抗抗生素耐药性细菌的药物。

在全世界，抗生素耐药性细菌或者说“超级细菌”给人类健康造成重大风险。世界卫生组织（WHO）估计每年大约有48万人患上多药耐药性肺结核。美国疾病控制中心（CDC）估计在，在长期感染的病人当中，每4名医院获得性感染病例中，就有1例是由6种主要的超级细菌菌株导致的。

论文共同作者、印第安纳大学布卢明顿文理学院生物学系Yves Brun教授说，“这是首次研究参与细菌细胞分裂的每个细胞组分之间存在的关联性。我们最终揭示出这种关联性，而且为开发更加准确的方法抵抗抗生素耐药性细菌打开大门。”

Brun说，“如果你理解一台发动机的工作原理，那么你能够移除单个零件关闭它。你不再需要将一把锤子扔到这台发动机的可动部件中破坏它。”

早期的抗生素药物（如青霉素）像一把锤子那样发挥功能：在细菌细胞分裂期间，诱导制造细胞壁的被称作青霉素结合蛋白（PBP）的酶结合这种药物而不是结合细胞壁的构成单元（building block），从而诱导细胞壁破裂和细胞瓦解。

促进细菌分裂的其他组分包括被称作FtsA和FtsZ的细胞骨架蛋白。FtsA和FtsZ在细胞内部形成骨架类似的纤维（FtsAZ纤维），从而指导细胞壁在细胞分裂期间遭受破坏。在细菌细胞分裂期间，所有的这三种组分必须协作在细菌细胞的中间构建细胞壁，从而确保在它一分为二产生两个新的子细胞后，子细胞内部的材料不会逃离。

事实上，细菌细胞的这三种组分在细胞分裂中的作用是已知的，但是这项新的研究是首次证实它们如何精确地协作。重要的是，Brun说，当制造细胞壁时，FtsZ起着领班的作用，指导着PBP“工人”迁移。

这些研究人员能够利用高技术的被称作荧光D-氨基酸（fluorescent D-amino acid, FDAA）的多色染料检测这三种组分的作用机制。FDAA是由印第安纳大学布卢明顿文理学院化学系教授Michael VanNieuwenhze实验室在5年前发现的。VanNieuwenhze也是这项新的研究的共同作者。

VanNieuwenhze说，“在细胞壁构建过程期间利用这些染料的不同颜色揭示出一种靶心图案（bull's-eye pattern），这表明这种环形细胞壁是从细胞内部的外边缘到中心构建的。”

这项研究也解决了另一个秘密：FtsZ如何构建细胞壁？这些研究人员发现在FtsAZ纤维中排列的FtsZ在一端不断地丢失一个分子，在另一端不断地获得一个分子，从而导致在细胞边缘发生一种被称作踏车（treadmilling）的圆周运动。

印第安纳大学研究人员利用化学手段对细菌细胞进行标记以便开展分析。哈佛大学研究人员开展实验，展示了FtsZ和PBP蛋白在这些细胞内部的运动。

论文共同作者、VanNieuwenhze实验室博士生Erkin Kuru说，“这是我们首次能够动态地观察细胞分裂。在之前，我们缺乏观察它的工具，因而这是不可能实现的。”

论文共同作者、VanNieuwenhze实验室博士生Yen-Pang Hsu补充道，“考虑到含有这些细胞结构的有机体的宽度少于1微米，可视化观察它们并不是一件小的任务。若没有印第安纳大学光学显微成像中心开发的这种观察技术，我们不能够测量这些细胞中的荧光图案。”

原始出处：

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.