“間諜”病毒竊聽細菌,然後將其摧毀

病毒利用細菌的化學語言來定時摧毀它們;這可能會為對抗感染提供新的方法 

噬菌體病毒電子顯微鏡影像。

在早期的實驗中,名為 VP882 的病毒似乎在做一件對於一個不是細菌,甚至在技術上都不是活的東西來說不可能的事情:攔截宿主細菌交換的分子資訊,並讀取這些資訊,以確定摧毀整個細菌群落的最佳時機。“作為科學家,這簡直是不可思議的,”普林斯頓大學的分子生物學家邦妮·巴斯勒說。“我們既高興又懷疑。這幾乎好得令人難以置信。”

事實證明,VP882 不僅如此;巴斯勒得知,有一系列感染細菌的病毒(一種稱為噬菌體或簡稱“噬菌體”的亞群)會竊聽宿主與其他細菌之間的日常分子通訊。巴斯勒說,這意味著 VP882 的殺傷觸發器可以很容易地被操縱以靶向任何細菌——這開啟了將病毒改造為危險病原體的理想殺傷機器的可能性。

2009 年,臺灣的科學家首次在與霍亂相關的細菌中發現了 VP882。巴斯勒說,這種細菌“可能使人生病”,在調查這種疾病時,“研究人員偶然發現了這種病毒。他們對其進行了測序,並將其放入[DNA]儲存庫中。”當巴斯勒的研究生賈斯汀·西爾普在資料庫中發現該病毒時,他一直在尋找編碼一種名為 DPO 的特定分子的受體的基因。霍亂和相關細菌利用這種分子進行一種稱為“群體感應”的活動——這是一種細菌用來確定附近有多少同類的化學“語言”。


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當宿主在其環境中檢測到高濃度的群體感應分子時,就好像細菌在房間裡聽到大量的喋喋不休的聲音。“這告訴它們,它們周圍有足夠的鄰居來開展集體行為”——例如引起疾病——巴斯勒說。她和西爾普曾希望在霍亂以外的其他細菌中找到 DPO 受體。相反,它出現在 VP882 中。“群體感應應該是關於細菌的。但它卻出現在病毒基因組上,”她指出。“我們當時想,‘這病毒在幹什麼?’”

當他們用 VP882 進行實驗時,西爾普注意到,當它在沒有 DPO 的霍亂菌落中時,噬菌體和細菌和平共處。但是“我們清楚地注意到,在我們新增 DPO 的地方,細胞死亡了,”他說。“這清楚地表明噬菌體正在殺死它們。”為了確認群體感應訊號確實是殺傷觸發器,西爾普突變了 VP882 上的 DPO 受體——並表明突變的噬菌體沒有殺死它們。

這告訴兩人,病毒會監聽群體感應資訊,並利用它來判斷周圍有多少潛在的受害者。如果病毒感應到足夠的 DPO,這意味著附近有自助餐;這向 VP882 發出訊號,開始摧毀其宿主細菌,並將自身的副本傾瀉到菌落中。否則,VP882 會安靜地躺著等待細菌繁殖。“這是一個絕妙而陰險的策略,”巴斯勒說。“它使噬菌體能夠最佳地找到下一個受害者。”該團隊週四在《細胞》雜誌上發表了他們的研究結果。

關於 VP882 的這一發現“非常酷”,麻省理工學院的生物學家馬克·米米說,他沒有參與這項研究。“它讓人想起一個真正的竊聽細菌並選擇合適時機進行攻擊的噬菌體間諜。”他說,這項發現最引人入勝的部分之一是巴斯勒和西爾普如何對 VP882 進行基因改造。大多數噬菌體都生活在宿主細菌的擬核(構成其基因組的大量 DNA 纏結)內,但 VP882 的行為類似於質粒——一種在細胞中自由漂浮的簡單 DNA 環。

這在工程改造病毒本身時是一個巨大的優勢。質粒的修改相對簡單,研究人員可以迫使任何細菌接受任何質粒;自從幾十年前發現質粒以來,他們一直在這樣做。由於 VP882 的行為方式相同,巴斯勒和西爾普能夠對其殺傷開關進行改造,使其在感應到大腸桿菌、沙門氏菌或他們可能想要消除的任何其他細菌所獨有的訊號時開啟。

米米說,這可以解決噬菌體療法(使用噬菌體治療感染)中的某些問題。首先,大多數噬菌體只攻擊一種細菌。這使得噬菌體療法在許多情況下不那麼有吸引力。“如果你患有肺部感染,你可能無法及時診斷出是哪種細菌導致了感染並選擇正確的噬菌體,”他指出。“為了解決這個問題,人們使用了不同噬菌體的混合物。但是,生產混合物並遵守藥物法規過於昂貴。”噬菌體療法在某些國家用於治療感染,但不在美國使用,在美國,每個單獨的噬菌體都必須經過嚴格且昂貴的藥物試驗,才能獲得當局的批准。米米說,由於 VP882 可以被改造以殺死任何種類的細菌,因此它可能對開發噬菌體療法的研究人員更具吸引力:“單一的重組噬菌體——是的,那將非常有趣。”

巴斯勒說,將 VP882 變成一種高度受控的細菌刺客是“我們的夢想”。西爾普“可以按需改造噬菌體進行殺滅。它具有非常有吸引力的特性。”但她補充說,無法判斷 VP882 在現實世界中是否像在培養皿中一樣有效。首先,VP882 唯一已知的天然獵物是霍亂及其親緣物種——因此,尚不清楚在沒有科學家強迫感染或使用更廣泛的工程改造的情況下,噬菌體是否會感染其他型別的細菌。

儘管如此,每年仍有數百萬人感染霍亂。“如果你想在工業廢水中或腸道中殺死霍亂,而不擾亂[有益細菌]微生物組,”巴斯勒說,“這對我們來說真的很有趣。”

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