噬菌体与细菌的“相生相杀”

文/钟 江

生活中,我们被各种病毒感染后会患上感冒、肺炎等。其实,细菌也会被多种病毒感染,能感染细菌的病毒统称为噬菌体。噬菌体无处不在,有细菌的地方就会有噬菌体。
我们可以做个简单的实验。用棉签在我们面部用力摩擦取样(既有细菌又有噬菌体),然后把棉签放到培养液中培养一段时间。随后我们把菌液过滤除菌,得到无菌的清液(只剩下噬菌体),再将这个清液与葡萄球菌混合后一起涂在培养基上,等葡萄球菌长满培养基后,我们很可能会看到其中有一些透明的斑点,这就是“噬菌斑”,是噬菌体感染周围的细菌(也就是葡萄球菌),并将它们裂解造成的。
早在100多年前,英国微生物学家弗雷德里克·特沃特就观察到了这个现象,但他没有搞清楚这种能让细菌裂解的物质究竟是什么,也没有进行深入探讨。法籍加拿大科学家费利克斯·德赫雷尔也发现了这个现象,他在1917年发表论文时明确指出,这是因病毒感染细菌而造成的,并正式以“噬菌体”命名这种病毒。
现在我们知道,噬菌体就是一种典型的病毒,它由蛋白质外壳包裹着基因组核酸共同组成。噬菌体有些是球形的,有些是丝状的,有些是球状的头部连着杆状的尾部这与噬菌体识别并感染它的宿主细菌有关。

噬菌体的贡献
在生命科学发展历史上,噬菌体做过许多重要的贡献。科学家以噬菌体为研究对象,弄清了遗传物质是核酸而不是蛋白质,揭示了遗传密码的奥秘;了解了核酸如何复制自己,并把遗传信息传递下去;研究了遗传信息如何转变为有功能的蛋白质,等等。噬菌体为现代分子生物学的创立打了头阵。
对科学家来说,噬菌体是从事生物医学研究的有用工具,因为它不仅易于进行基因操作,也容易扩增和筛选。2018年被授予诺贝尔化学奖的“噬菌体展示技术”就是一个很好的例子。这项技术的核心是构造一个噬菌体库,在每个噬菌体的外壳蛋白基因中插入一段外来的基因序列,噬菌体复制时会把这段基因和外壳蛋白一起表达,并把它展示在噬菌体的表面。由于每个噬菌体所带的外来基因序列各不相同,整个噬菌体库可以带有数以百亿计的外来基因。
在后续应用中,科学家让这些噬菌体和目标物质(比如某种肿瘤蛋白)结合,洗去不能结合或结合不牢固的噬菌体,而结合最牢固的噬菌体可再次感染细菌进行扩增。经过几轮这样的筛选,就可以得到与目标物质结合力最强的噬菌体。再通过测序明确其中的基因序列,就可以获得所需要的基因了。
美国科学家乔治·史密斯最早发明了“噬菌体展示技术”,建立了一个展示6个氨基酸的随机多肽的噬菌体库,得到了一些具有特殊结合能力的多肽。英国科学家格雷格·文特进一步把这项技术拓展到让噬菌体展示抗体分子,用来筛选具有特殊结合能力的抗体。
如今,利用“噬菌体展示技术”研发的许多药物已在临床上得到广泛应用。比如,抗体药物阿达木单抗可用来治疗风湿病,多肽类药物罗米司亭可用来治疗血小板减少症。

治疗耐药细菌感染
噬菌体是细菌的天敌,它可以使细菌裂解从而将其杀灭。在抗生素和其他高效抗菌药物出现之前,科学家就希望利用噬菌体治疗细菌感染,并开展了系列研究。早在100多年前,德赫雷尔就利用噬菌体制剂成功治愈了4名细菌性痢疾患者。后来,他尝试利用噬菌体来防治霍乱,并取得良好效果。
我国也有利用噬菌体治疗的成功案例。1958年,上海炼钢工人邱财康在劳动时被钢水烫伤,烧伤面积高达89%,手术后出现耐药细菌感染的问题。在无药可用的情况下,我国细菌学专家余教授带领医学团队精心分离了噬菌体,成功控制了耐药铜绿假单胞菌感染,把患者从死亡线上抢救过来,成为一段佳话。
近年来,细菌耐药性问题成为全球关注的焦点之一。耐受多种药物的“超级细菌”不断出现,治疗细菌感染再度成为难题。因此,人们又想到了噬菌体技术。
如今,全球涌现出一大批研发噬菌体药物的公司。得益于科技的进步,科学家希望利用“噬菌体鸡尾酒”(即混合了10种以上噬菌体的制剂)和经过基因工程修饰强化的噬菌体来治疗细菌感染。
比如,奥地利的法格迈德生物技术公司正在开发一种混合噬菌体制剂PM-398,用来治疗人工关节的感染。和正常的人体组织不同,人工关节处的微生物很容易长成“生物被膜”,也就是分泌一些多糖物质把自己包裹起来,使药物不容易接触菌体。该公司开发的噬菌体可以帮助消解生物被膜,与抗生素联用可以杀灭97%的细菌。目前,已经开展了相关的动物研究,希望在近期推向临床试验。

噬菌体与细菌的博弈
噬菌体是完全寄生性的,离开了宿主细菌就无法生存且很快失活,所以噬菌体不会对细菌“赶尽杀绝”。事实上,许多噬菌体除了裂解性感染细菌以外,还有另一种感染模式——溶原性感染。在这种感染模式下,噬菌体会把自己的基因插入细菌基因组中,并关闭自己几乎所有的基因表达,保持静默。噬菌体会随着细菌的生长繁殖一起复制,直到机会成熟时再次进入裂解性感染模式——产生大量子代噬菌体去感染新的细菌。
噬菌体对细菌是进行裂解性感染还是溶原性感染,是受到精密调控的。细菌的生理状态就是一个重要因素。当宿主细菌的状态不佳或营养缺乏时,噬菌体往往会进入裂解性感染模式,逃离这个宿主,去寻找更可靠的宿主。
除此,噬菌体会通过信息交流来“告诉”同类噬菌体应该进行裂解性感染还是溶原性感染。2017年,以色列魏兹曼科学研究所的研究团队发现一个有趣的现象,芽孢杆菌噬菌体感染时会向环境中分泌一种由6个氨基酸组成的小肽,随着感染的延续,小肽的浓度会不断增加。当小肽达到一定浓度时,噬菌体就会由裂解性感染转为溶原性感染。这种噬菌体之间的“通信”有助于噬菌体更好地适应环境。

细菌的反扑
在噬菌体与细菌的博弈中,细菌不是完全被动的。细菌有不少办法来抵抗噬菌体感染。科学家在半个世纪前就发现,细菌的限制性酶切系统可以对付外来DNA(脱氧核糖核酸),包括噬菌体DNA。细菌会把自己的DNA进行甲基化修饰,而外来的DNA因为没有经过甲基化修饰,会被细菌的限制性内切酶切断,失去功能。
此外,细菌对付噬菌体还有许多其他方法。比如,加拿大多伦多大学的研究人员最近在英国《自然》杂志中报道,链霉菌分泌产生的众多化学物质中,就有专门抑制噬菌体感染的物质。这种物质会插入噬菌体DNA中不让它进行复制,而细菌自己的DNA却不受影响。
当然,噬菌体对细菌并非完全有害,细菌可以利用噬菌体来为自己服务。比如,噬菌体在细菌细胞之间转导基因,能给细菌带来丰富的遗传多样性。
尽管噬菌体已经被发现了100多年,但是我们对噬菌体和细菌之间博弈的认识才刚开始。其中的很多信息可以帮助我们研发治疗感染的各种药物,以及不断开发生命科学研究工具。
(本文作者钟江为复旦大学生命科学学院教授,博士生导师;上海市微生物学会副理事长)

转载请注明 文章来源:《科学画报》

〖 欲看更精彩文章、图片,请购买科学画报。每月月初出版发行,铜板纸彩色印刷,每本仅售8.00元 〗 

 
《科学画报》2019© 版权所有 沪ICP备05024827号