铜，是人类信赖的杀菌工具。把一些日常被人触摸的表面换成铜的材质，有助于避免一部分细菌的传播。不过，假如某些有害细菌不怕铜，人类要怎么对付它们？科学家也一直在研究这个问题……
撰文 " 栗子
编辑 | clefable
铜是人体重要的微量元素。它的其中一份工作，就是作为免疫系统的一部分，毒杀入侵的微生物。
就算不懂得这背后的道理，数千年前的古人也知道要用铜来消毒杀菌。比如，战斗过后的腓尼基人，把青铜剑上磨下的碎屑涂抹在伤口上，预防感染并加速愈合。我国古代的医学典籍当中，也有用铜钱治疗疾病的记载。
但有一种“超级细菌”不光很难被铜杀掉，还能从容地利用铜，制造出一种抗生素。它叫铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。科学家们一直想战胜这种能够感染人体的致病菌，本着知己知彼的精神，他们这次先搞清了它制造抗生素的原理，并把成果发表在《科学》杂志。
等等，抗生素不是用来杀菌的吗，细菌制造抗生素是在干什么？
不被铜杀死，反而支配了铜
首先简要解释一下，铜为何能毒杀细菌。铜离子不稳定，很容易参与氧化还原反应，在1价铜和2价铜之间变来变去。当1价铜变成2价铜，生成的羟基自由基（-OH）是一种活性氧，会给细胞里的各种大分子带来氧化损伤。这就是细菌们害怕铜的原因。
也正因如此，所有微生物都演化出了铜处理机制，不论是运走还是隔离，最终的目的是让细胞质里不含游离的铜。但即便有这层机制，如果所在环境中的铜浓度过高，大部分细菌依然难以生存。
而本篇的主角铜绿假单胞菌，却不那么害怕铜。这种细菌又叫“绿脓杆菌”，因为感染伤口时会有绿脓流出而得名。绿脓杆菌很常见，在水里在土里，或是在人类的皮肤上都不难找到。
北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家领衔的研究团队认为，绿脓杆菌有应对铜浓度升高的特殊技巧。因为，它们能合成一种名叫Fluopsin C的广谱抗生素：此抗生素的生产过程，会用掉一部分铜。
绿脓杆菌支配铜的方式，是用两个相同的基团，把一个铜离子牢牢抓住，像螃蟹用钳子夹住猎物那样。而蟹钳又可以叫“螯”，所以这种反应也称为“螯合反应”，得到的产物就是抗生素Fluopsin C。当铜被锁在抗生素分子中间，成为分子的一部分，便很难像游离的铜离子那样，对细菌造成伤害了。
科学家们经过一系列实验，确定了这种抗生素分子的合成途径。其中最主要的部分，大概要数“钳子”的制造过程：起初只是个平凡的氨基酸——半胱氨酸，依靠五种酶的努力，最终变成N-甲基硫代异羟肟酸基团。而两个这样的基团，就能夹住铜了。
参与制造钳子的五种酶中，有两种裂解酶、两种铁依赖性酶，和一种甲基转移酶。前人已有研究发现，绿脓杆菌体内的这几种酶，都是由基因组中的同一个操纵子（PA3515–PA3519）编码而来。并且，当环境中铜浓度升高，这个操纵子表达出的酶，会比平时的量大得多。
上述关于操纵子的研究，用的是绿脓杆菌的PAO1菌株；而这次团队也用同样的菌株印证了，当那个操纵子里的基因被修改后，科学家就检测不到绿脓杆菌产生的抗生素Fluopsin C了。
因此科学家相信，细菌们在遇到高浓度的铜时，自制钳子夹住铜、调低铜浓度的操作，就是一种应激反应，保护细菌免受重金属元素的毒害。
虽说是为了保护自己，但细菌产出的抗生素真的不会杀死自己吗？
杀自己难，杀其他菌容易
早在上世纪70年代，已经有科学家提取出了Fluopsin C这种抗生素，并开始了解它的功效。就像上文提到的那样，它是一种广谱抗生素，对多种多样的细菌拥有杀伤力，革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌通吃，对酵母这样的真菌也有效。
有些强大的细菌，如鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumanii）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的部分菌株，已有多重耐药性，能抵御不少抗生素，却会被Fluopsin C抗生素所抑制，甚至在抗生素浓度很低（每毫升几微克）时仍受抑制。因此，不少科学家也在研究，利用这种抗生素治疗多重耐药菌造成的感染。
可就是这样一种广泛杀菌的抗生素，在绿脓杆菌面前却显得弱小了许多。其中的PAO1菌株，能承受超过70微克/毫升的Fluopsin C抗生素。绿脓杆菌对这种药物的抗性，比参加测试的其他细菌要强许多。
在此之后，科学家又用一种人工合成药物来测试细菌们的反应，这种药叫吡硫翁铜，和Fluopsin C的结构有些相近。结果发现，绿脓杆菌的PAO1菌株，还是比测试中的其他菌种更顽强，40微克/毫升的浓度也不足以对它构成威胁。
也就是说，绿脓杆菌自制的抗生素Fluopsin C，能轻易杀死许多别的细菌，而对自身和同伴伤害不大，这可能成为它们在自然界的一种竞争优势。
那在绿脓杆菌当中，是不是只有PAO1这一个菌株能产抗生素，其他菌株有同样的技能吗？假如你还记得，有五种酶参与了Fluopsin C抗生素的合成，而科学家发现编码这些酶的基因，在99.6%的绿脓杆菌菌株中都存在。换种说法，在4955个绿脓杆菌菌株中，有4537个菌株可能都保留着制造Fluopsin C抗生素的能力。
这种能力，既帮助细菌抵抗铜离子的攻击，也帮助它们袭击其他微生物。
这细菌无敌了吗？
读到这里，你大概也感觉到，绿脓杆菌绝非等闲之辈。人体的免疫系统会用铜来阻挡微生物的入侵，所以当一种细菌拥有“不怕铜”的设定，它的毒力便不可小视。
在人体当中，绿脓杆菌几乎可以感染任何部位，比如血液、肺部、泌尿道等等，严重时可能危及生命。对住院患者来说，感染风险比健康人更高，特别是有伤口，接着导管，或是使用呼吸机的病人。这种细菌又十分常见，只要有人接触过被绿脓杆菌污染的水或土壤等等，就有机会通过触摸医疗器械或者其他表面来传播细菌。
而当一个人被绿脓杆菌感染，医务工作者通常要把患者的样本送去实验室，测试看哪些抗生素对感染的菌株有效，再提供治疗方案。不过，随着绿脓杆菌耐药性的增强，对感染者的治疗也变得越来越难，面对一些多重耐药菌株，治疗选择可能十分有限。
所以，许多科学家也在探索其他的治疗方法。比如，2011年南洋理工大学的研究团队编辑了大肠杆菌的DNA，把它设计成“生物炸弹”：
大肠杆菌能识别绿脓杆菌相互交流时释放的特殊分子，一旦检测到这种化学信号，便可激活两个基因，一个负责生产对绿脓杆菌有害的一种绿脓菌素（pyocin S5），另一个负责让大肠杆菌破裂，释放绿脓菌素，袭击绿脓杆菌。实验证明，这种方法能杀灭99%的绿脓杆菌。
不过，在我们用上类似的疗法之前，勤洗手才是应对“超级细菌”的首要策略。
原论文：
https：//www.science.org/doi/10.1126/science.abj6749
参考链接：
https：//www.smithsonianmag.com/science-nature/copper-virus-kill-180974655/
https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4464932/
https：//pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28760827/
https：//www.jstage.jst.go.jp/article/antibiotics1968/23/11/23_11_546/_article/-char/ja/
https：//www.cdc.gov/hai/organisms/pseudomonas.html
https：//www.embopress.org/doi/full/10.1038/msb.2011.55
https：//www.nationalgeographic.com/science/article/scientists-engineer-suicide-bomber-bacteria-to-kill-other-bacteria
本文转自《环球科学》
