开发悬滴系统，揭示细菌通过“舍己为人”的协作快速适应抗生素

理解细菌如何快速适应新引入的抗生素，日益需要超越经典进化系统的实验模型。

2026年3月27日，北京大学王玮，王辉和申诗涛共同通讯（李博文为第一作者）在Science Advances 在线发表题为“EnvZ/OmpR-driven cooperative behavior promotes cefiderocol resistance in a hanging-droplet evolution system”的研究论文。该研究开发了一种微生物进化悬滴系统（MEHS），该系统利用重力驱动的流动来维持连续的指数级生长，使每日繁殖率翻倍。使用该MEHS，肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）能够快速适应波动的头孢地尔（CFDC）暴露。然而，耐药克隆仅占进化菌群的一小部分。

许多突变与先前临床实践中观察到的变异重叠，包括EnvZ/OmpR双组分系统的改变，这些改变重新编程了铁载体生物合成。这些变化促进了易感亚群的交叉保护，减轻了通常与耐药性相关的适应度代价，并促进了群体水平的适应。此外，在CFDC使用前收集的临床分离株中检测到类似变异，突显了它们在选择压力下进化的潜在能力。该研究结果确立了MEHS作为解析临床相关耐药轨迹的强大平台，并指出调控节点是破坏削弱抗生素疗效的协作行为的潜在靶点。

全球抗生素耐药性的上升速度持续超过有效治疗药物的开发进程，对公共卫生和抗菌药物管理构成了重大威胁。头孢地尔（CFDC）是一种铁载体偶联的头孢菌素，对耐碳青霉烯类革兰阴性菌显示出强效抗菌活性。然而，最近的临床报告发现，即使在既往无药物暴露史的地区，也出现了耐头孢地尔的肺炎克雷伯菌分离株，这引发了人们对潜在耐药途径以及头孢地尔临床长期应用可持续性的担忧。这些观察结果凸显了亟需从机制层面理解耐药性如何在临床相关条件下演化。细菌种群快速且常被低估的适应能力，进一步加大了控制抗菌药物耐药性的难度。为制定可持续的治疗策略，必须理解病原体如何适应波动的药物压力。

适应性实验室进化（ALE）是揭示未被识别的突变和隐蔽耐药机制的有力工具，为预测治疗失败提供了前瞻性策略。然而，大多数ALE研究是在均质、充分混合的环境中进行，未能反映真实感染的空间和药代动力学复杂性。近期的理论和实验工作表明，空间结构和浓度梯度可以重塑适应度景观并加速适应性进化。为此，微流控平台已成为研究梯度整合条件下耐药性进化的重要工具，这些条件能更好地模拟临床微环境。

尽管取得了这些进展，但现有依赖密闭环境的液滴或微流控系统仍受限于培养时间短、生物量产量低、取样灵活性差以及维持动态环境波动的能力不足。这些限制阻碍了在高度模拟体内药代动力学特征的条件下，对适应性进化轨迹进行系统性研究。为系统评估这些限制，作者比较了几种先前用于研究微生物进化的代表性液滴和微流控微生物培养平台。该分析强调了需要能够维持连续生长、实现动态药物暴露并支持在进化时间尺度上进行灵活取样的新一代平台。

MEHS的制定和验证（图片源自Science Advances ）

为克服这些限制，作者开发了一种微生物进化悬滴系统（MEHS），该系统能够在动态波动的抗生素条件下实现连续的实验进化。MEHS可在长时间尺度上维持稳定的灌流和液滴完整性，使细菌种群在生理相关的微环境中进化，该微环境捕捉了体内感染的药代动力学和空间异质性。通过利用不对称液滴阵列产生空间异质性的抗生素分布，该系统支持耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌（CRKP）在临床相关选择压力下快速进化。

利用该平台，作者观察到了赋予头孢地尔耐药性的 envZ突变。在10种不同的临床背景中重建代表性envZ变异体证实，这些趋同进化的突变不仅增强了头孢地尔耐药性，还提高了铁获取可塑性。从机制上讲，这些突变通过EnvZ/OmpR双组分系统（TCS）介导的转录调控，重编程了铁载体的生物合成，可能实现了一种绕过经典Fur依赖性控制的铁掠夺策略。总之，MEHS将药代动力学动态与耐药性进化的分子轨迹联系起来，揭示了一种基本的由envZ介导的适应机制。这些发现表明，该表型的产生并非源于先前假设的Fe²⁺介导的摄取，而是通过铁载体生物合成的转录重编程实现的。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea4527