UCL 研究人员记录了有史以来最清晰的活细菌图像，揭示了围绕许多细菌的保护层的复杂结构，使它们更难被抗生素杀死。这项研究于今天发表在《国家科学院院刊》上，并与国家物理实验室、伦敦国王学院、牛津大学和普林斯顿大学的科学家合作完成，揭示了具有保护性外层的细菌——称为革兰氏阴性菌——可能在它们的表面上有更强和更弱的斑点。

研究小组发现，细菌的保护性外膜包含密集的蛋白质构建块网络，由似乎不含蛋白质的补丁交替组成。相反，这些贴片富含保持外膜紧密的含糖链(糖脂)的分子。

这是一个重要的发现，因为革兰氏阴性菌防止某些药物和渗透细胞的抗生素的坚韧的外膜：这外膜是部分原因，例如细菌(包括耐药性鲍曼不动杆菌，P.铜绿假单胞菌，和肠杆菌科细菌(例如沙门氏菌和大肠杆菌)现在被认为比革兰氏阳性细菌(例如抗药性金黄色葡萄球菌(众所周知的 MRSA))的威胁更大。

“外膜是一种强大的抗生素屏障，是使感染性细菌对药物产生抗药性的重要因素。然而，这种屏障是如何组合在一起的仍相对不清楚，这就是我们选择如此详细研究它的原因，”解释通讯作者 Bart Hoogenboom 教授(伦敦大学学院和伦敦大学学院物理与天文学伦敦纳米技术中心)。

“通过从分子到细胞尺度研究活细菌，我们可以看到膜蛋白如何形成跨越细菌整个表面的网络，为不含蛋白质的斑块留下小间隙。这表明屏障可能不一样硬破坏或伸展整个细菌，但可能有更强和更弱的点，也可以被抗生素靶向。”

为了更好地理解这种结构，科学家们用一根细针在活的大肠杆菌(E.coli)细菌上划了一根，从而“感受”了它们的整体形状。由于针尖只有几纳米宽，这使得在细菌表面观察分子结构成为可能。

由此产生的图像显示，细菌的整个外膜都塞满了由蛋白质形成的微孔，这些孔允许营养物质进入，同时阻止毒素进入。尽管已知外膜含有许多蛋白质，但这种拥挤和不动的性质出乎意料。

令人惊讶的是，图像还显示出许多似乎不含蛋白质的斑块。这些贴片含有通常存在于革兰氏阴性菌表面的糖脂。此外，当部分膜由于突变而内翻时，会形成一种不同类型的疙瘩状斑块。在这种情况下，这些缺陷的出现与对杆菌肽的敏感性增强有关，杆菌肽是一种抗生素，通常只对革兰氏阳性菌有效，但对革兰氏阴性菌无效。

正如在伦敦大学学院 Hoogenboom 教授的实验室对细菌进行显微镜检查的 Georgina Benn 所解释的那样：“细菌外膜的教科书图片显示蛋白质以无序方式分布在膜上，与膜的其他组成部分充分混合. 我们的图像表明情况并非如此，但脂质斑块与富含蛋白质的网络分离，就像油与水分离一样，在某些情况下会在细菌的盔甲中形成裂缝。这种观察外膜的新方式意味着我们现在可以开始探索这种顺序是否以及如何影响膜功能、完整性和抗生素耐药性。”

该团队还推测，这些发现可能有助于解释细菌如何在保持紧密堆积的保护屏障的同时仍然允许快速生长：常见细菌大肠杆菌的大小会增加一倍，然后在有利条件下在 20 分钟内分裂。他们认为，与蛋白质网络相比，糖脂贴片可能使膜具有更大的伸展性，从而使膜更容易适应细菌不断增长的大小。