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同步輻射研究中心重大發現 細菌能將抗生素排出菌體外以產生抗藥性

大成報/ 2015.12.29 00:00
【大成報記者羅蔚舟/新竹報導】

國家同步輻射研究中心的陳俊榮教授及管泓翔博士後研究員等人,與馬來西亞理科大學合作進行跨國研究,耗時四年,運用蛋白質結晶學方法,利用台灣光源(Taiwan Light Source, TLS)及日本春八同步加速器光源(SPring-8),首度解析出傷寒沙門氏桿菌(Salmonella Typhi)「外膜蛋白質ST50」的三維結構,並發現傷寒桿菌藉由ST50將抗生素排出菌體外以產生抗藥性的關鍵機制,研究成果登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)。

同步輻射研究中心指出,傷寒為細菌引起的高傳染性腸道疾病,主要症狀為持續性高燒、腸胃炎,嚴重時會造成腸道穿孔、出血,甚至死亡。全球每年有超過2,100萬個病例,造成約20萬人死亡。亞洲地區以印尼、中國大陸、泰國、越南及菲律賓為傷寒盛行區,國人旅遊中國大陸與東南亞每年約900萬人次,境外感染的風險相對較高。

這項研究首度發現,陳俊榮教授指出,傷寒桿菌菌體表面佈有許多外膜蛋白質ST50,形成一個個類似圓柱狀的構造,貫穿細胞外膜,功能相當於「排毒泵浦」,能抽取已經進入菌體的抗生素並將其排出菌體外,泵浦入口處為六隻觸手—天冬氨酸(Aspartic Acid)組成的「獵捕籠(D-cage)」,如此微妙的結構可將抗生素牢牢捕抓住。

目前治療傷寒的主要方法是使用抗生素殺死傷寒桿菌,但抗藥性經常造成治療效果不佳。陳俊榮教授指出,本研究解析出精細度達0.29奈米的泵浦結構,相當於毛髮直徑的三十萬分之一。解開這個關鍵機制後,未來將可研發特定的「路障」—抑制藥物,阻斷泵浦的運輸通路,讓抗生素留在菌體內,使細菌崩解死亡。而此精細結構也提供了傷寒病人體內抗體辨識抗原的可能位置,有助於開發下一代更穩定、價格更低廉的傷寒檢測試劑。

陳俊榮教授表示,傳統的藥物研發模式如同神農嚐百草,先從5千到上萬種小分子化合物開始篩選,之後找出約250種進行動物試驗,而最後只有不到10種化合物或衍生物進行人體臨床試驗,一款新藥研發成本往往高達8億至20億美元,耗費時程約15年。現在同步加速器光源可以清楚解析出病原體中關鍵蛋白質的微細結構,有助於直接設計標靶藥物,大幅減少藥物開發時程與經費。

蛋白質是生命起源的關鍵,同步加速器光源是解出關鍵的金鑰!陳俊榮教授指出,蛋白質是組成生命體的關鍵成份,是細胞內第一線功能執行者,每一種蛋白質會自然摺疊成各種千奇百怪的形狀,而這些形狀決定了它們獨特的功能。蛋白質可以是細胞膜上的一功能受體,也可以是一位傳信使,負責細胞間內的訊息能量傳遞和作用調節。

國家同步輻射研究中心簡玉成博士表示,研究蛋白質的三維結構是了解生命運作方式最有效的方法。目前每10個被解出結構的蛋白質,有9個是使用「蛋白質結晶學」解析出來,其中又有九成利用到「同步加速器光源」。近年來有6座諾貝爾獎頒發給使用這種技術的科學家,可印證「同步輻射蛋白質結晶學」的重要價值。

耗資70億打造的台灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS),其加速器主體於今年1月25日落成,第一期的7座光束線實驗站也將陸續建造完成。近日該中心已成功將光束從加速器主體引到「蛋白質微結晶學(Protein Microcrystallography)實驗站」,預計明年9月提供給國內外的科學家進行實驗,可望促進蛋白質研究的蓬勃發展,以及生技醫療領域的突飛猛進。

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