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紐約——去年夏天，雷蒙德·舒赫用移液管作為臨時的擀麵杖，花了一些實驗室時間擠壓他從曼哈頓土壤中新鮮採集的蚯蚓的內臟。 為了他的努力，洛克菲勒大學的微生物學家提取出了看起來只是一小堆泥土的東西，但實際上是一個充滿噬菌體——感染細菌的病毒——的微觀世界。 舒赫當時正在尋找可以殺死炭疽病併成為抗炭疽療法的噬菌體，但他發現的卻是能夠使這種致命細菌在困境中生長和存活的病毒。
幾十年來，科學家們一直懷疑某些噬菌體在幫助炭疽病、炭疽芽孢桿菌及其在芽孢桿菌屬中不太致命的近親生長方面發揮作用。 然後，在四年前，舒赫與洛克菲勒大學的細菌學教授文森特·菲舍蒂一起，發現了一個直接的聯絡——一種噬菌體，它可以使炭疽病對土壤中其他細菌（如鏈黴菌）通常產生的抗生素產生抗藥性。
但是，儘管環境極端，包括風雨，甚至在人類和牲畜爆發期間也未被發現，炭疽病如何能在土壤中持續存在數百年，這一直困擾著科學家。 在蚯蚓腸道中，舒赫發現了一組溶原性噬菌體——這種病毒將其遺傳物質插入炭疽病的基因組中。 噬菌體不僅沒有殺死病原體，反而刺激了其在土壤中生長和持久生存的能力。
“眾所周知，存在溶原性噬菌體——它們非常常見，”舒赫說。 “不尋常的是看到它們可能對這些炭疽桿菌菌株產生多麼巨大的影響。”
像其他研究炭疽病的科學家一樣，舒赫和菲舍蒂認為，當炭疽桿菌不在宿主體內時，通常是牛或羊等食草動物，其選擇是有限的。 雖然炭疽桿菌細胞在感染哺乳動物時會大量繁殖，但它們往往會餓死並在土壤中轉化為休眠孢子，在那裡等待它們的下一個受害者。 通常，孢子會感染動物的皮毛和人類的皮膚，引起感染，但這種情況很少致命。 但是吸入或攝入它們可能是致命的，分別高達75%和60%的病例。
舒赫和菲舍蒂發現的噬菌體可以促使炭疽桿菌細胞即使在土壤中也保持生長或營養狀態。 在這種狀態下，細胞可以形成粘性的生物膜，抵抗惡劣的風雨。 此外，研究人員發現，這些溶原性噬菌體賦予炭疽桿菌在蚯蚓腸道中定植的能力，舒赫稱之為細菌的“避風港”。 他和菲舍蒂在2009年8月刊的PLoS ONE雜誌上發表了他們關於新型炭疽病噬菌體的發現。
“最令人驚訝的[發現]是炭疽桿菌可以在哺乳動物宿主之外生長，”巴黎巴斯德研究所（Institut Pasteur）和法國國家科學研究中心（Centre National de la Recherche Scientifique）的微生物學家阿涅絲·富埃說。 由於人們認為炭疽桿菌在土壤中僅以孢子形式存在，因此科學家通常會加熱土壤樣本，試圖將其與被熱處理殺死的營養細菌分離。 “人們只是沒有尋找它，”富埃說，“人們在尋找孢子。” 相反，舒赫說，“如果你想在地方性流行地區尋找炭疽病，你應該在該地區尋找蚯蚓。” 此外，他說科學家可以轉向無熱方法來尋找在土壤中自由生長的營養型炭疽桿菌。
生存技能
迄今為止，科學家僅發現少數幾種可以感染炭疽桿菌的噬菌體，而且除了賦予細菌抗生素耐藥性的噬菌體案例外，關於病毒感染如何影響炭疽桿菌的線索很少。 因為之前的調查甚至在沒有炭疽病的地區——在汙水、土壤和水中——也發現了噬菌體，所以舒赫在無炭疽桿菌的樣本——蕨類植物根和商業盆栽土壤中尋找新的噬菌體。
舒赫還在他的搜尋中加入了蚯蚓腸道，原因是閱讀了路易斯·巴斯德的傳記。 這位19世紀的微生物學家是第一個觀察到感染炭疽病的動物屍體區域爬滿了蚯蚓的人，儘管沒有人真正證明炭疽桿菌生活在這些無脊椎動物中。 如果蚯蚓確實是炭疽桿菌的良好棲息地，舒赫推斷它們也可能包含感染這種細菌和相關芽孢桿菌屬細菌的病毒。
從他們的噬菌體搜尋中，舒赫和菲舍蒂發現了八種新的病毒，包括他們從蚯蚓腸道中分離出的兩種病毒。 當研究人員將實驗室菌株的炭疽桿菌分別暴露於每種噬菌體時，他們發現，病毒並沒有像裂解性噬菌體通常所做的那樣，使細菌破裂並殺死它們，而是促進了其細菌宿主的存活： 對於受感染的炭疽桿菌，在泥土和水的試管培養物中，細胞數量至少在六個月內保持恆定。 相比之下，無噬菌體的炭疽桿菌種群在2.5個月內下降了一半，並在六個月後不復存在。
雖然所有型別的噬菌體都賦予了炭疽桿菌生存優勢，但它們透過不同的方式實現了這種效果。 八種噬菌體中的三種可以加速細菌在生長條件不利時（低營養條件或低溫（24攝氏度而不是30攝氏度））從生長細胞向孢子的轉變。
另一方面，五種噬菌體觸發了營養貧乏培養基中的炭疽桿菌形成生物膜，生物膜是由包裹在糖基基質中的營養細胞聚集而成。 生物膜是其他型別土壤細菌的首選狀態，有助於它們附著在表面。 舒赫和菲舍蒂發現，這些噬菌體包含一個基因，其蛋白質啟用參與生長和環境感知的細菌基因簇的表達。 然而，與芽孢桿菌屬中的其他細菌不同，它們的基因被製成蛋白質，炭疽桿菌有一個突變，通常會阻止它表達這個基因簇。 菲舍蒂說，炭疽桿菌“只是在等待噬菌體來開啟這些基因”。
到目前為止，研究人員一直專注於一次一種噬菌體——無論是促進孢子形成還是促進生長和生物膜形成——對實驗室菌株炭疽桿菌的影響。 但菲舍蒂說，不止一種噬菌體可以同時感染炭疽桿菌，研究人員正計劃研究不同型別噬菌體之間的相互作用。 擺脫檢測的蠕蟲
除了增強土壤生存能力外，舒赫和菲舍蒂還發現，噬菌體對於炭疽桿菌在蚯蚓中定植至關重要，自巴斯德130年前的觀察以來，蚯蚓一直被懷疑是炭疽桿菌的藏身之處。 類似於病毒如何增強細菌在土壤培養物中的存活能力，促進孢子形成和生物膜形成的噬菌體都使細菌在蚯蚓體記憶體活，而不會傷害無脊椎動物，至少持續六個月。 但是，“如果炭疽桿菌在蚯蚓體內並且失去了噬菌體，它就會直接進入土壤，”菲舍蒂說，那裡的條件對細菌不利。
炭疽桿菌在蚯蚓中生長的能力一直是“人們多年來一直在談論的難題之一，但沒有人真正費心去解答，”馬里蘭州弗雷德里克堡德特里克堡的國家生物防禦分析和對策中心（NBACC）的細菌學家尼古拉斯·伯格曼說。
在實驗室培養的蚯蚓和土壤的微觀世界中，研究人員還發現，受感染的細菌在蚯蚓腸道和土壤中都會釋放病毒，這表明炭疽桿菌可以在這兩種環境中遇到並感染新的病毒。
舒赫說，在未來的研究中，他和菲舍蒂計劃從炭疽病流行的地區（包括撒哈拉以南非洲、加拿大和美國西部地區）進口蚯蚓，並檢查它們是否已定植炭疽桿菌。 科學家們已經知道，相關的芽孢桿菌屬細菌生活在野生蚯蚓中。 舒赫認為，無脊椎動物可以提供一個儲藏庫，讓炭疽桿菌在淡季生長，那時土壤太冷太乾燥。
炭疽桿菌的幽靈
在19世紀後期，騎馬的牛仔將牛從得克薩斯州的牧場趕到堪薩斯州、俄克拉荷馬州、新墨西哥州和科羅拉多州的火車站，以便將牛運往更北和更西的地方。 今天，在最後一次牛群遷徙120年後，仍然殘留著被炭疽病孢子汙染的土壤痕跡，這些痕跡是受感染的牛進食和休息的地方留下的。
NBACC的伯格曼說：“正常的風化過程和類似的事情確實應該減少土壤中的孢子數量。” 炭疽桿菌孢子無法阻止被沖走或吹走。 但是，伯格曼補充說，“如果噬菌體引導它們進行營養生長，它們可能能夠形成生物膜併產生一些有助於它們粘附的東西。”
炭疽桿菌永續性的另一個令人困惑的例子是，20世紀90年代初蘇聯解體後，休耕地在約80年來首次被耕種時發生的疫情。 炭疽病開始感染和殺死牲畜，可能是因為土壤仍然受到四十年前農業活動的汙染。
伯格曼指出，科學家們現在正在使用歷史土地調查和城鎮記錄來幫助他們預測可能藏匿炭疽桿菌的地區。 他說：“它們主要傾向於以前發生過疫情，或牲畜遏制或販運量大的地區。”
舒赫說，科學家們可以在這些地區尋找炭疽病的兩種方法是使用聚合酶鏈反應或識別炭疽病的抗體。 與加熱土壤相反，這兩種方法都可以檢測在那裡生長的炭疽病。 按照舒赫的想法，不僅在土壤中尋找細菌，而且在蚯蚓中尋找細菌，就像舒赫所做的那樣，擠壓出腸道內容物，讓混合物中的細菌在培養皿上生長一樣簡單。 舒赫說，炭疽桿菌會顯現出來，因為細菌細胞以特徵性的扁平無色菌落生長。
不幸的是，預防炭疽桿菌持續存在和引起疾病的方法並不那麼簡單。 菲舍蒂說：“我不知道我們是否對如何控制這些[噬菌體]有足夠的瞭解。” 在接下來的步驟中，他計劃檢查他和舒赫發現的噬菌體是否會影響參與感染哺乳動物的細菌基因。
噬菌體新領域
舒赫和菲舍蒂沒有理由認為他們發現的八種噬菌體完成了炭疽桿菌病毒的清單。 菲舍蒂估計，一克土壤中有一百萬個細菌，噬菌體是細菌的10倍。 他懷疑其他噬菌體感染炭疽桿菌，並且可能具有其他作用，例如控制疾病的毒力。 他說：“噬菌體可能比我們想象的對地球上細菌的生存做得更多。我認為它們在控制之中。”
新的炭疽桿菌噬菌體可能起源於相關的芽孢桿菌屬細菌，因為正如舒赫指出的那樣，炭疽桿菌的這些近親在土壤和蚯蚓腸道中更廣泛地分佈。 但是，與炭疽桿菌的特定基因組（其中包含致病基因）結合使用，這些噬菌體基因具有獨特的效果，例如誘導生長和生物膜形成的表達。
“噬菌體的顯著之處在於它們擴大了它們感染的宿主的遺傳多樣性，”聖地亞哥州立大學的噬菌體生物學家安卡·西格爾說。 西格爾稱讚舒赫和菲舍蒂揭示新型炭疽桿菌噬菌體作用的工作“絕對精彩”，她幾年前開始對來自海洋芽孢桿菌的噬菌體DNA進行測序。 她發現的一些病毒誘導水生細菌形成孢子。
菲舍蒂懷疑，目前正在進行的人類腸道細菌測序工作也將揭示噬菌體控制著這個多樣化的微觀世界。
當研究人員努力瞭解炭疽桿菌和噬菌體之間的相互作用時，舒赫說他們仍將繼續尋找具有抗炭疽病特性的噬菌體基因。 他們新發現的八種病毒中可能有一些病毒包含基因，當啟用時，會殺死細菌。 在早期的工作中，菲舍蒂的團隊發現了一種噬菌體基因，該基因編碼一種破壞炭疽桿菌細胞壁的酶。 它目前正在開發作為臨床療法。 舒赫說：“它主要被設想為一種治療方法——作為抗生素的替代品或輔助手段——用於那些已經接觸過[抗生素耐藥性]炭疽桿菌菌株的人。最好使用混合物而不是單一酶，只是因為這樣你就可以確保殺死每種菌株。”