來自普林斯頓大學分子生物學系,、化學系以及達特茅斯醫(yī)學院（Dartmouth Medical School）的研究人員發(fā)現(xiàn)了細菌如何相互交流的一個關鍵機制,，這是霍亂和其它細菌疾病治療的一個重要研究突破,，也將導致一個完全新類型的抗生素的產(chǎn)生。這一研究成果公布在《自然》雜志上,。
這一機制即霍亂菌（cholera bacteria）利用一種化學物質相互傳遞信息,，這種化學物質稱為CAI-1,，目前已被分子生物學家Bonnie Bassler實驗室分離出來,，其研究小組發(fā)現(xiàn)這種化學物質也可以用來擾亂細菌的交流,，因此也許可以用于阻遏這一疾病的發(fā)生，這項發(fā)現(xiàn)將導致一個完全新類型的抗生素的產(chǎn)生。
文章第一作者,，Bassler實驗室研究生Doug Higgins表示,，“誘發(fā)疾病的細菌用一種化學預言相互交流，現(xiàn)在我們能通過干擾它們的交流來控制傳染”,，“這篇文章雖然是針對霍亂,，但是以其為范例，我們可以控制其它細菌,。”
這一發(fā)現(xiàn)代表著科學家們在群體效應（Quorum sensing,，近來日益受到廣泛關注的一種細菌群體行為調(diào)控機制）機制研究方面的最新進展，Bassler實驗室針對群體效應已研究了10多年了,，主要關注于單細胞細菌如何感知周圍圍繞的其它細菌，它們通過發(fā)送能識別的化學信號相互交流,，當這些信號積累得夠多的時候,，細菌就會作為一個團體作出應答。
這些小生物的一些團體行為是無害的,，比如形成一個稀薄的菌群,，但是一些細菌則會造成嚴重的后果，比如霍亂這樣一種常由于飲用了不干凈的水而引起的疾病,，當霍亂菌膜（biofilm）在腸道中形成的時候,，細菌入侵者只需幾個小時就能進入感染的最嚴重階段。
Bassler說,，“形成菌膜是霍亂發(fā)生的一個關鍵步驟”,，“它們在自身覆蓋上一層黏粘物，作為盾牌抵抗抗生素的襲擊,，從而能快速繁殖,，當感知到數(shù)目到達了一定數(shù)量，這些細菌就會試圖離開宿主”,?；魜y病毒也是如此，它們繁殖到一定程度就會尋找機會離開,，攻擊另一個生物體,。霍亂菌在腸道中分離開來,，這有利于它們釋放毒素,，這些毒素刺激宿主，從而身體反應出希望通過嘔吐和痢疾將它們排出,，如果機體沒有及時補充水分,，就會當天死亡。
Bassler研究小組意識到這些霍亂菌一定通過一些未知的化學成分相互進行交流，指引在適當?shù)臅r候停止繁殖,，逃逸出生物體,，但是至今還沒有人知道這種化學物質是什么。
“我們一般都知曉細菌在群體效應中相互交流,，但是我們并不知道霍亂使用的是哪一種化學物質”,，Bassler說，“Doug領導了這一艱苦的工作,，并最終發(fā)現(xiàn)了這種物質,。”
Higgins分離出了CAI-1，之后另外一名Martin Semmelhack實驗室的研究生Megan Pomianek研究出了如何在實驗室里合成這種分子,，Higgins利用這種化學物質在實驗室水平上控制了霍亂的行為,。
他們發(fā)現(xiàn)當缺乏CAI-1時，霍亂菌就和一般病原菌一樣,，但是細菌檢測到了足夠多的這種化學物質,，那么它們就會停止制造菌膜，釋放出毒素,，尋找機會離開機體,。Higgins說，“我們的發(fā)現(xiàn)說明如果你給霍亂菌提供CAI-1,，就等于開啟了它們停止攻擊的開關,。”
威斯康星大學麥迪遜分校（University of Wisconsin Madison）的化學家Helen Blackwell贊嘆這項發(fā)現(xiàn)是群體效應研究的一個重要突破，而且對于醫(yī)學研究也意義重大,。
目前研究人員已在小鼠實驗中證明了CAI-1可以治愈霍亂,，Bassler表示，“我們也希望了解這一化學物質在細胞中是如何行使功能的,，另外,，最好的治愈霍亂的方法是給全世界提供干凈的飲用水。”
原始出處:
Nature advance online publication 14 November 2007 | doi:10.1038/nature06284; Received 12 August 2007; Accepted 19 September 2007; Published online 14 November 2007
The major Vibrio cholerae autoinducer and its role in virulence factor production
Douglas A. Higgins1, Megan E. Pomianek2, Christina M. Kraml3, Ronald K. Taylor4, Martin F. Semmelhack2 & Bonnie L. Bassler1,5
Department of Molecular Biology,
Department of Chemistry,
Lotus Separations LLC, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, USA
Department of Microbiology and Immunology, Dartmouth Medical School, Hanover, New Hampshire 03755, USA
Howard Hughes Medical Institute, Chevy Chase, Maryland 20815, USA
Correspondence to: Bonnie L. Bassler1,5 Correspondence and requests for materials should be addressed to B.L.B. (Email: [email protected]).
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Vibrio cholerae, the causative agent of the human disease cholera, uses cell-to-cell communication to control pathogenicity and biofilm formation1, 2. This process, known as quorum sensing, relies on the secretion and detection of signalling molecules called autoinducers. At low cell density V. cholerae activates the expression of virulence factors and forms biofilms. At high cell density the accumulation of two quorum-sensing autoinducers represses these traits. These two autoinducers, cholerae autoinducer-1 (CAI-1) and autoinducer-2 (AI-2), function synergistically to control gene regulation, although CAI-1 is the stronger of the two signals. V. cholerae AI-2 is the furanosyl borate diester (2S,4S)-2-methyl-2,3,3,4-tetrahydroxytetrahydrofuran borate3. Here we describe the purification of CAI-1 and identify the molecule as (S)-3-hydroxytridecan-4-one, a new type of bacterial autoinducer. We provide a synthetic route to both the R and S isomers of CAI-1 as well as simple homologues, and we evaluate their relative activities. Synthetic (S)-3-hydroxytridecan-4-one functions as effectively as natural CAI-1 in repressing production of the canonical virulence factor TCP (toxin co-regulated pilus). These findings suggest that CAI-1 could be used as a therapy to prevent cholera infection and, furthermore, that strategies to manipulate bacterial quorum sensing hold promise in the clinical arena.
