科学家们离利用自然产生的纳米机器的杀菌能力又近了一步。纳米机器是一种执行机械作用的微小颗粒。
在《自然》杂志上发表的一项研究中，一个由加州大学洛杉矶分校领导的研究小组描述了这种纳米机器如何识别和杀死细菌，并报告说他们已经用原子分辨率对它进行了成像。科学家们还设计了他们自己的纳米机器版本，这使他们能够产生不同于自然产生的版本的变异。
他们的努力可能最终导致新型抗生素的开发，这些抗生素能够瞄准特定种类的微生物。与传统抗生素相比，专为杀灭特定种类或菌株而设计的药物可能具有许多优势，包括降低细菌产生耐药性的可能性。此外，这种量身定制的药物可以摧毁有害细胞，而不会消灭肠道菌群中的有益细菌，它们最终可能被用于预防细菌感染，杀死食物中的病原体，并改造人类微生物群落，让有益细菌茁壮成长。
研究中的微粒是r型脓毒杆菌素，是铜绿假单胞菌释放的一种蛋白质复合物，作为破坏与其竞争资源的微生物的一种方式。当pyocin识别出一个竞争细菌时，它会在细胞的细胞膜上穿孔杀死细菌。铜绿假单胞菌常在土壤、水中和新鲜农产品中发现，是医院获得性疾病的一个常见原因。这种细菌被广泛研究，其生物学特性也被广泛了解。
观察吡啶的分子结构;在打孔前和打孔后的结构中;使科学家们能够找出它识别猎物并发动致命一击的机制。
加州大学洛杉矶分校(UCLA)的纳米科学家首次模拟了三种细菌纳米机器的原子结构
这项研究属于一门名为“生物灵感工程”(bioinspired engineering)的学科，该学科旨在开发从自然中获得设计灵感的技术。这项新研究的结果可能有助于开发以脓毒杆菌素为基础的靶向抗生素。
如果你想从头设计一个霉素，你很可能做不到。这项研究的共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所纳米机器电子成像中心的主任周宏说。向大自然学习是件好事，因为大自然在数十亿年的时间里开发和测试了这些系统。从工程学的角度来看，这应该对我们有所帮助。
周和他的同事们他也是加州大学洛杉矶分校微生物学、免疫学和分子遗传学教授;使用了两种成像技术:x射线晶体学和低温电子显微镜技术。x射线晶体学利用x射线揭示晶体分子的结构，而低温电子显微镜通过探测从冷冻样品中反弹的电子来形成图像。该团队得益于电子显微镜的最新进展，包括能够直接探测电子的高速摄像机;以前的技术都是间接探测电子，因此细节较少。
正如研究中所描述的，pyocins是一种非常简单和特殊的杀虫机器。
这项新研究的领导者们在早些时候的研究中描述了pyocin的整体结构，尽管没有那么详细。脓毒杆菌素最大的部分是一个圆柱形的树干，其外鞘包裹着一个内胎。刺穿的部分。在树干的底部是一个带有六个突出的卷须的基板。当纳米机器遇到细菌细胞时，它会落在细胞上，卷须与细胞表面的特定结构结合。
在这篇新论文中，科学家们首次在脓毒杆菌的主干顶部描述了一个六股环，它连接着鞘和内胆，在触发脓毒杆菌的过程中，它是传递能量的重要环节。
最新的研究也提供了前所未知的信息时发生的机械作用pyocin触发:当至少有三个六卷须绑定到一个细菌细胞的表面,pyocin认识到细胞是特定类型的细菌攻击。在这一点上，卷须锚定pyocin细胞，并导致基板展开。这进而导致外鞘的崩溃，推动内胎下和跨表面的目标细胞。
除了穿刺损伤本身，内胎还会从细菌细胞中吸取能量，导致细胞死亡。研究人员先前透露的一个细节。
这是一个机械系统，它可以精确地调节，将目标细胞的特定识别与致命打击的部署结合起来。共同通讯作者杰夫·f·米勒说，加州大学洛杉矶分校的弗雷德·卡夫利纳米系统科学教授和CNSI主任。了解这个系统是如何构建的以及它的活性是如何被控制的，可以用来构建新型的纳米机器。
利用标准的分子生物学技术来改变铜绿假单胞菌的DNA，研究人员设计了一种脓毒杆菌素的变种。在这些变异中，触发器对目标细菌表面的结构及其环境的敏感性或多或少。例如，某些调整使纳米机器克服了对酸性环境的脆弱性。在自然界中，当pH值为3.4时，也就是酸菜的酸度，pyocin会自动触发，但与自然条件下相比，在这个pH值下触发的工程pyocin更少。
这种调节脓毒症触发物敏感性的能力对抗生素有一定的启示作用，最终可能会根据这项研究开发出来:致命的全身性感染可能会导致一种松散的感染。这种触发机制并不能区分粒子攻击的是哪种细菌，而一种更有辨别力的触发机制可以用于针对某些肠道感染，而不会对微生物群系造成附带损害。
米勒与人共同创立的南旧金山初创公司Pylum Biosciences的一名科学家参与了这项研究。Pylum设计了不同种类的脓毒杆菌素，作为开发只攻击特定种类细菌的疗法的基础，同时克服抗生素耐药性，防止有益微生物受到损害。其中一种治疗方法针对的是引起结肠炎的细菌。该疗法已在实验室和临床前动物模型中进行了测试，并计划在人类患者中进行临床试验。
这项研究的第一作者是加州大学伯克利分校的彭戈，纳米机器电子成像中心的技术总监。其他共同作者包括前加州大学洛杉矶分校本科生Jaycob Avaylon，前加州大学洛杉矶分校研究生Ke Ding, Pylum Biosciences的Dean Scholl和德克萨斯大学医学分部的Petr Leiman。
这项研究得到了美国国立卫生研究院、瑞士国家科学基金会和卡夫利基金会的支持。成像是在美国国立卫生研究院和国家科学基金会资助的纳米机器电子成像中心进行的。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：http://newsroom.ucla.edu/releases/mechanisms-behind-natural-bacteria-killer-pyocin