康奈尔华人学者揭示细菌“外排泵”动态特性，助力攻克抗生素耐药

抗生素耐药性（AMR）已成为全球公共卫生面临的重大挑战之一。随着抗生素的广泛应用，越来越多的细菌对常见药物产生了耐药性，导致治疗效率显著降低。尤其是在医院感染中，耐药性细菌的传播已成为严重威胁。为了应对这种情况，研究者们开始深入探索细菌如何通过不同的生物学机制来抵抗抗生素，其中多药外排泵作为关键因素，扮演着至关重要的角色。

多药外排泵（Multidrug efflux pumps ）是一类跨膜蛋白，它们能够主动将抗生素等有害分子从细胞内排出，从而降低药物在细胞内的有效浓度，导致抗生素对细菌失去作用。外排泵的作用原理类似于一个“门卫”，通过调节通道的开关，决定药物分子是否能够被排出。这一机制是细菌耐药性形成的主要途径之一，特别是在革兰氏阴性菌中，外排泵不仅能够排除常见抗生素，还能有效地抵抗多种化学物质，包括重金属和溶剂。

尽管外排泵的存在和基本功能已被广泛认识，但其具体工作机制仍不完全明了。特别是，外排泵蛋白质如何在细胞膜内外穿梭、如何识别和运输不同的抗生素分子，仍是研究的热点。

近日，康奈尔大学华人学者陈鹏教授及其团队通过高分辨率的结构分析和分子动力学模拟，首次准确捕捉到了外排泵的三维结构，并揭示了它们如何执行“穿梭”运输的过程。这一突破为我们理解细菌如何通过外排泵逃避药物治疗提供了新的视角，同时也为开发克服抗生素耐药性的新策略奠定了基础。这一成果以“Transporter excess and clustering facilitate adaptor protein shuttling for bacterial efflux”为题发表在 Cell Reports Physical Science。

陈鹏教授团队的研究发现，外排泵蛋白质并不是简单地将抗生素“排放”到细胞外，而是通过一系列复杂的结构变化来完成这一任务。在不同的状态下，外排泵蛋白质会发生明显的形态变化，就像“门”一样开合，决定了抗生素是否能被排出。通过冷冻电镜技术，研究人员获得了外排泵的三维结构，清晰地展示了蛋白质的动态变化。当外排泵接受到抗生素分子的刺激时，它会从“关闭”状态转变为“开启”状态，形成一个通道，将抗生素分子带出细胞。

外排泵主要包括 3 部分蛋白质复合物，TolC 位于外膜，MacB 位于内膜，MacA 位于周质。它们相互作用形成通道，不仅可以排出抗生素，还可以排出由细菌本身产生的可以感染或以其他方式危害其宿主的分子。

为了排出毒素，这三种蛋白质需要按照特定的化学计量进行组装：2 个 MacB 蛋白质与 6 个 MacA 蛋白质组装，然后是 3 个 TolC 蛋白质。但研究人员想知道，一旦结构组装完成，周质中的分子如何进入贯穿复合体的通道，以及它们通过哪些不同类型的底物被泵送。

为了更好地了解蛋白质的相互作用，研究人员定量分析了细胞内的蛋白质浓度。结果发现，MacB 蛋白的拷贝数显著高于 MacA，甚至还有更多的 TolC，远远超过了该复合物 2:6:3 配置所需的量。除此之外，研究人员还注意到衔接蛋白 MacA 可以从 MacAB-TolC 组装体中分解出来。

“多余的 MacB 蛋白没有与之相关的 MacA，它自然会有一个开口让底物进入。因此，一旦底物能够与额外的 MacB 结合，一些最初与之相关的 MacA 就可以迁移过来进行组装。一旦组装完成，它们就可以将底物泵出。”陈鹏表示。

也就是说，多余的 MacB 转运蛋白可以在细胞内动态聚集，并围绕 MacAB-TolC 复合物分布，MacA 可以从 MacAB-TolC 复合物中动态解离，并在聚集的 MacB 之间穿梭。这种机制有助于从周质中高效捕获底物并进行外排。

为了测试该机制是否可以被中断，研究小组与加州大学旧金山分校的一个团队合作，开发了一种微流体装置，可以通过施加机械应力来改变单个细菌的毒素抵抗力。研究人员确定，通过该装置挤压大肠杆菌会导致细胞变形，从而破坏组装的复合物并使其无法产生抗生素耐药性。

这些发现不仅揭示了 MacAB-TolC 外排系统的动态特性，还为开发针对多药外排系统的抗菌策略提供了新的思路。通过干扰适配蛋白的穿梭机制或 MacB 的聚集，可能成为一种创新的抗菌治疗手段。

1.Wenyao Zhang et al, Transporter excess and clustering facilitate adaptor protein shuttling for bacterial efflux, Cell Reports Physical Science (2025). DOI: 10.1016/j.xcrp.2025.10244

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