近年来，细菌对抗生素的耐受性越来越强，甚至出现了超级细菌。这是因为细菌的细胞内部发生了变异，使得抗生素对它们再也没有作用，从而存活下来。而这种变异是通过什么原理发生的呢？

发表在Cell杂志上一篇文章对这一现象做出了研究。加州大学圣地亚哥分校等处的研究人员通过研究枯草芽孢杆菌的膜电位动力学中细胞间的变异来预测细菌的存活，发现在接触抗生素之后，细菌对压力的耐受性会表现出细胞间的变异，有较高恢复力的“休眠”（非生长细胞状态）的细胞中的镁通量可以增强对核糖体靶向抗生素的抵抗力。

实验中，出现了两种类型的细胞行为：生长缺陷型的细胞，它们的数学上预测的膜电位（超极化）会短暂增加，然后就是细胞死亡；生长中的细胞，它们不会发生超极化，并且显示出更高的存活率。利用核糖体的结构扰动和蛋白质组学分析，压力弹性来自于镁的流入，这可以防止超极化。由此可以得到一个结论，离子通量的调控提供了一个独特的机制来应付核糖体所面对的压力问题。这些都提示了如何提高核糖体靶向抗生素有效性的新方法，而且揭示了核糖体与细胞膜电位（细胞的两个基本特性）之间的联系。

同基因的细菌种类可以在它们的应激反应表现出细胞间变异。这种异质性提供了细菌对付抗生素的能力的一句。针对生长细胞中活跃分子的过程的抗生素对非生长细胞的效果比较差。如果受抗生素影响的分子没有被细胞积极利用，抗生素介导的抑制就会失效。从此得出了一个问题，是否存在其他的机制，使得通过积极生长的细胞也可以应对抗生素压力?

通过测量细胞膜电位，人们发现了多种细菌的应激反应。例如，监测大肠杆菌细胞的膜电位动态表明，施加机械压力会增加细胞内的钙水平。此外，生活在生物膜群落中的枯草芽孢杆菌细胞通过钾离子通道介导的电子信号，使得细胞间的代谢状态能够长期协调，来提高它们的适合度。细菌通过调节细胞膜上离子的流动来应对压力，导致了细胞膜电位的变化。

细胞中的不同的无机离子在细胞内和生物化学过程中发挥着不同的作用，使得细菌中离子流量的调节变得复杂。从细菌到哺乳动物，各种各样的生物系统都含有20mg的镁，其中大部分都与多种生理因素有关。

【注】(A)说明核糖体的扰动是否改变细胞膜上离子通量的漫画。
(B)本研究中使用的微流体装置示意图。细胞在细胞陷阱下以单细胞层的形式生长，陷阱两侧不断有新鲜的培养基流动。
(C)细胞的相衬(左)及相应的荧光(ThT，右)图像。荧光染料硫黄酮- t (ThT)具有膜电位。颜色条(右)显示了tht染色细胞的强度范围。
(D)在没有扰动的细胞群中ThT强度的分布(顶部)，在没有多价离子的培养基中(中部)，或在存在亚致死剂量的高光霉素(2 mg/L，底部)。虚线表示与野生型(WT)模式的两个标准偏差，用作判断超极化细胞比例的截止点。n表示被分析细胞的数量。
(E)饼状图显示了(D)中超极化细胞的百分比。

细胞必须通过调节细胞膜上的离子流量来控制细胞内的离子含量。重要的是，细胞在应激条件下可能对离子含量有不同的要求。因此，在一般情况下，离子通量与细胞在应激条件下的存活之间的关系并不明显。解决这些基本问题需要测量细胞膜上的离子通量，而在单细胞水平上，这仍然是一个技术挑战。因此，在细菌等生物系统中，离子通量的单细胞动力学和细胞间异质性并没有得到很好的表征。

实验利用膜对细胞电化学电位的影响的方法测量的细胞膜电位作为枯草杆菌细胞膜离子通量变化的报告因子。这种方法可以研究单个细菌对离子流量的调节是否存在差异，以及由此产生的离子含量的变异性，尤其是核糖体靶向抗生素引起的压力的恢复力中发挥的作用。枯草芽孢杆菌字微流体设备内的最小定义介质中生长，该设备提供生长介质条件的控制，并支持对单个细胞的成像。使用荧光膜电位指示剂染料硫黄铜测量膜电位。膜电位越负（即超极化）的细胞，荧光信号越强。首先确定在没有压力的情况下膜电位在单个细菌中的分部，而即使不施加压力，也有一小部分的细胞呈现超极化。膜电位是直接依赖于离子通量的，去除生长介质中的细胞外阳离子，促进其外流，增加超极化细胞的比例。由此可得，扰动细胞膜上的离子流量也可以定量地改变细菌的电化学膜电位。

图3抗生素压力导致数学上可预测的膜电位超极化现象。
【注】(A)描述离子流量调制与膜电位动力学关系的数学模型。
(B)数学模型预测了响应阳离子流入减少的瞬态超极化事件。
(C)典型非超极化细胞的薄膜带(顶部)及其对应的膜电位随时间的函数(底部)。黄色标尺(左)表示1毫米。
(D)典型超极化细胞的薄膜带(顶部)及其对应的膜电位随时间的函数(底部)。
(E)高极化(青色，n = 100)和非高极化(黑色，n = 100)细胞在高光霉素存在下的最大膜电位(ThT)的函数。
(F)单细胞ThT时间轨迹显示(E)中细胞的膜电位动态，图中白色区域表示被跟踪细胞的死亡。Max ThT条纹显示了每个ThT跟踪的最大投影。颜色条(右)显示了tht染色细胞的强度范围。

细胞外镁对超极化事件的抑制作用

然后研究人员测试了膜电位超极化是被镁特别抑制的，还是其他阳离子同样有效。实验表明，将培养基中的细胞外镁浓度从2毫米提高到20毫米(这将导致镁的流入)，确实可以抑制处于抗生素胁迫下的野生型细胞的瞬时过极化。平板试验还表明，生长培养基中较高的镁浓度可以减少抗生素存在下的细菌死亡。相反，其他阳离子，如钾、钠或钙，在猝灭超极化方面效果较差。这些结果与我们的蛋白质组学数据和之前的工作一致，表明钾、钠和钙在稳定核糖体方面不如镁有效(Weiss et al.， 1973)。

作为对照，研究人员还证明了镁离子注入对超极化事件的猝灭是可逆的，因为细胞在超极化后会再次出现去除高细胞外镁水平。综上所述，这些数据表明，增加镁通量可以防止核糖体胁迫下细菌的超极化事件，并促进其生存。

研究揭示了

细菌细胞中的离子流量和它们应对抗生素压力的能力之间有趣的联系。具体来说，研究人员发现较高的镁通量促进细菌的生长和生存，这些细菌暴露在以核糖体为目标的抗生素中。已知镁离子稳定核糖体复合体的结构和功能，核糖体复合体由许多带负电荷的rRNA亚基组成(Nierhaus, 2014)。现在发现，镁的核糖体稳定功能在促进细菌细胞应对核糖体靶向抗生素的能力方面发挥着重要作用。因此，离子流量的调节成为细菌应力恢复的关键决定因素。

这一发现也为细菌的异质抗生素反应提供了一个新的视角，强调了离子通量调节在细菌存活中的重要性。随着单细胞测量技术的进步，已经发现了基因相同的细菌细胞之间的各种差异，如代谢状态、吸收细胞外DNA的能力和孢子的形成(Kuchina et al.， 2011;Kussell and Leibler, 2005;Pelk-mans, 2012;苏̈el et al ., 2007)。在这里，我们展示了细菌在它们的离子流调制上也有不同，这个不同是细胞存活的重要决定因素。这一发现也确定了未来的研究方向，以研究细菌中观察到的细胞间离子流量变化的分子机制。

从更基础的科学角度来看，这一发现揭示了核糖体和膜电位之间有趣的相互作用，这表明这些在所有活细胞中起作用的古老而基本的过程有着深刻的联系。自生命起源以来，跨膜的电化学梯度一直是生命系统的关键元素，利用核糖体机器进行蛋白质合成也是复制的一个基本特征。

这些数据表明，离子通量和核糖体功能之间存在双向功能联系。核糖体是合成控制细胞膜上离子通量的膜蛋白所必需的，因为带电荷的分子在细胞的脂质双层膜上扩散时能量上是不利的。反过来，现在证明离子通量，特别是镁，直接影响核糖体的功能。核糖体和膜电位之间的功能相互作用，从而提供了一个新的观点之间的联系，基本的细胞过程是必不可少的生命。

（这篇文章由华南农业大学食品学院 胡茵、李谏、魏韬、郑倩望、王娟 提供，感谢他们为我们整理分析这项重要研究成果）

【资料参考】
[1] Magnesium Flux Modulates Ribosomes to Increase Bacterial Survival. (《Cell》Volume 177, Issue 2, 4 April 2019, Pages 352-360.e13)