细菌感染是美国住院患者死亡的首要原因，而耐抗生素细菌日益增多，每年造成数万人死亡。准确了解抗生素如何发挥作用，或为何不起作用，对于制定替代治疗策略至关重要；这既有助于应对新的“超级细菌”，也能让现有药物更有效地作用于目标细菌。
哈佛大学怀斯研究所的一组研究人员运用合成生物学技术发现，细菌在体内对抗生素的反应与在培养皿中的反应截然不同——事实上正好相反。这表明，我们目前对抗生素的一些既有认识可能并不正确。
“许多临床医生认为，抗生素通过杀死正在活跃分裂的细菌发挥作用，而不分裂的细菌会抵抗治疗，导致感染持续存在。我想弄清楚这是否属实——感染过程中，分裂细菌的比例会发生变化吗？抗生素又会如何影响这种情况？”该研究第一作者、怀斯研究所和马萨诸塞州总医院的临床研究员劳拉·瑟顿说。
她说：“合成生物学常用于改造细菌，使其生产有用产品或诊断疾病。我们采用同样的方法开发了一种微生物学工具，用来了解细菌在体内的行为。”
这项研究发表于8月31日刊的 《Cell Host & Microbe》。
瑟顿和同事使用了一种经基因工程改造的大肠杆菌菌株，大肠杆菌，该菌株数年前由怀斯研究所核心教员 帕梅拉·西尔弗的实验室培育而成。这些细菌的DNA中编码着一个基因“拨动开关”；接触一种名为脱水四环素（ATC）的化学物质后，开关便会从“关”切换到“开”。开关开启时会发生基因变化，使细菌能够消化乳糖；开关保持关闭的细菌则无法做到这一点。这个系统的关键在于，只有在添加ATC时正活跃分裂的细菌才能切换开关；即使存在ATC，不分裂细菌的开关也会保持关闭。因此，这个拨动开关提供了一个时间点快照，可显示细菌暴露于ATC时处于活跃状态还是休眠状态。
细菌研究通常在体外进行，但感染发生在活体复杂的环境中，这与培养皿中的情况截然不同。为了评估细菌在体内的情况，研究人员将一根小塑料棒植入小鼠腿部，并在腿部接种经过基因工程改造的细菌菌株，以模拟人体植入医疗器械和人工关节时常见的慢性细菌感染。随后，他们在感染过程中不同时间给小鼠注射ATC，使任何正在分裂的细菌细胞中的拨动开关切换到“开”位。
研究人员从小鼠体内取出细菌，并将其置于一种特殊的含乳糖培养基中培养。他们发现，最初24小时内所有细菌都在活跃分裂；到第四天，这一比例降至约一半，并在感染余下时间里保持稳定。这表明，身体杀死的细菌数量与通过细胞分裂产生的新细菌数量相当。这一结果不同于体外反应：在那里，所有细菌一旦达到环境的承载能力，就会停止分裂。
接下来，科学家测试了细菌体内对抗生素的反应。他们让感染持续两周，随后给小鼠注射抗生素左氧氟沙星。分析取出的细菌后，他们发现，虽然小鼠体内细菌总量减少了，但存活细菌中活跃分裂者所占的比例实际上增加了。这一结果与体外观察到的抗生素作用截然相反：体外实验中，抗生素杀死的分裂细胞多于不分裂细胞。研究人员筛查了细菌菌落是否具有抗生素耐药性，没有发现细菌进化出更能抵御左氧氟沙星杀伤作用的证据，这证实了抗生素仍然有效。
瑟顿说：“在抗生素存在时，我们看到分裂细菌比例升高，可能有几种原因。我们认为最可能的情况是，休眠细胞转为活跃状态，以‘填补’抗生素减少细菌总量后出现的空缺。如果细菌在整个感染过程中都持续活跃分裂，正如我们的研究所示，那么它们应该会对抗生素敏感。”
事实上，研究人员通过提高抗生素剂量成功治愈了感染。这表明，与关于细菌感染的传统假设相反，在这种慢性感染模型中，并不存在一群固定不变的休眠、耐受抗生素的细胞。
“如果抗生素不起作用，我们应该着重寻找把更多药物送达感染部位的方法，或找出可能起作用的其他耐受机制，而不是认定罪魁祸首是一群不分裂的细菌，”该研究通讯作者、怀斯研究所核心教员 吉姆·柯林斯说。他同时担任特米尔医学工程与科学教授，也是麻省理工学院生物工程学教授。
