彪悍细菌 驯化病毒

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(文/Ed Yong)人会生病,细菌也会,尽管细菌很微小,但是它们能被更微小的病毒——噬菌体所感染。噬菌体就像个小小的注射器一般,把针头插入细菌,将自己的遗传物质强行注入到细菌体中,从而使细菌变成一个生物工厂,制造更多的噬菌体。

通常情况下,生病的细菌也就是被噬菌体感染的细菌最终会死亡,但也存在例外,一些彪悍的细菌可能驯化噬菌体,使噬菌体成为细菌的盟友。彪悍的细菌会将噬菌体的基因组整合到自身的基因组中,帮助它们抵抗恶劣环境或是抵抗抗生素,通俗地讲使之成为超级细菌。

噬菌体侵入细菌后,它们会以两种方式进行自我复制。第一种方式是野蛮暴力的,噬菌体侵入细菌后抢占资源,复制合成大量的新噬菌体,这个过程称为“溶菌周期”。第二种方式是和平的,噬菌体DNA渗透到细菌的基因组里,并且成为细菌基因组的一部分,当细菌繁殖的时候,它们随之同时繁殖,并且完全隐蔽地潜伏在细菌基因组中,产生与细菌数量一致的新噬菌体,这是一种完全隐蔽的复制模式,但是却很温和。

在细菌基因组里的噬菌体DNA被称为原噬菌体。随着细菌被复制多次后,它们可能变异而产生新的噬菌体。原噬菌体就像寄生虫一样存活在细菌基因组中。有的时候,原噬菌体发生突变,无法再复制产生噬菌体,于是变成一种遗传化石标记,永远停留在细菌基因组中,标志着细菌曾感染过噬菌体,但噬菌体已经失活。

遗传化石标记被称为隐性前噬菌体,它们可能占据细菌基因组1/5的比例。隐性前噬菌体的存在曾经令人费解。细菌是出了名的小,基因组十分紧凑,但是为什么它们的基因组上还存在游荡的有害外来病毒DNA?这是为什么呢?

为了破解这些难题,德州A&M大学的王晓学(Xiaoxue Wang)将大肠杆菌中的9个隐性噬菌体全部找出,并且仔细地将这些噬菌体的DNA从细菌基因组中剔除。他们惊奇地发现,细菌的生存状况似乎变差了。

当噬菌体DNA被剔除后,正常条件下,细菌生长没有出现太多的异常,只是比有噬菌体DNA菌株生长稍稍慢一点。但是,当遭遇一些恶劣环境时,没有噬菌体DNA的细菌表现很糟糕。它们对抗生素的敏感性增强了400倍,它们在极咸或者酸性条件下很快死亡。甚至,它们几乎无法生成生物膜(一种它们自己分泌的用于保护菌体的薄膜)。

在大部分情况下,被王晓学剔除噬菌体DNA的细菌都变得很脆弱,这表明噬菌体DNA可能是细菌基因组重要的部分。噬菌体DNA不是死了的基因化石,而是细菌基因组的一部分,重要的一部分,它们对细菌的生存有着重要的意义,从某种程度上说,细菌把噬菌体DNA驯化了,让噬菌体DNA为细菌服务。

这儿还有些具体的例子,证明噬菌体DNA帮助细菌提高感染性的例子。大肠杆菌E.coli通常情况下是无害的,但是当它吸收了某种噬菌体后,可能变成一个怪物导致痢疾的发生。同样的一种噬菌体可以将两个基因带给细菌,让细菌产生志贺氏菌毒素。携带CTX的噬菌体可以使得弧菌产生CTX毒素,导致霍乱。在蚯蚓肠道内找到的炭疽菌就被发现有噬菌体的加入。在这些例子中,噬菌体的DNA会随着细菌的复制而被复制产生原噬菌体。而即便是产生隐性噬菌体,细菌仍旧能从噬菌体DNA中获利。

在地球上,细菌是非常强大的幸存者,它能适应各种环境,从含有大量石油的海洋到砷含量丰富的湖泊以及有抗生素的人体环境,它们都能幸存。王晓学的研究表明,噬菌体能够帮助细菌应对各种环境。他甚至写到,细菌实际上在利用敌人的武器来帮助自己应对周围的环境。

现在我们了解了细菌的这一特点,我们可以好好地利用它。王晓学认为,我们可以利用这一特性阻断细菌利用噬菌体DNA的通路,从而帮助我们阻止细菌对抗生素产生耐药性。

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博主介绍:
Ed Yong,著名科学作者。他白天在英国癌症研究中心上班,晚上回家写他自己的科普博客Not Exactly Rocket Science。他的文章被众多知名刊物采用,包括New Scientist, Nature, the Economist, the Guardian, the Daily Telegraph以及SEED等。

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