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会偷听细菌「对话」,这种噬菌体病毒未来可能成为人类帮手

作者:   发表于:2020-06-17  分类:C生活史 
会偷听细菌「对话」,这种噬菌体病毒未来可能成为人类帮手

透过释放信号分子监测周遭环境中同伴数量的变化,细菌能够在适当的时机协调群体行为并发起攻击,这种被称为「群体感应」(quorum sensing)的现象自 1990 年被发现以来,生物学家一直都在持续进行研究,然而普林斯顿大学(Princeton University)研究人员最近发现,不只是人类研究者试图偷听细菌间的对话,一种以细菌为宿主的病毒也会窃听这些资讯来达到自己的目标。

群体感应已经是一个革命性的概念。在这十几年间随着持续发现其中的细节,研究人员都对像细菌这样的简单生物可以进行沟通协调感到震惊,但病毒又完全是另外一回事。与细菌不同,病毒甚至更为简单,严格来说甚至不算生命,因此能够拦截并解释相同的分子讯息的想法简直就像是「石头可窃听鸟类说话」一样不寻常。

但普林斯顿大学生物学家 Bonnie Bassler 和 Justin Silpe 却确实在一种噬菌体(phage)上发现了这样的能耐。

这项发现与 Bassler 多年前针对霍乱弧菌(Vibrio cholerae)进行的群体感应研究有关。当时团队在霍乱弧菌中发现了一种新的群体感应系统,在感染宿主后,霍乱弧菌会将分泌的 DPO 自体诱导物(autoinducer)飘散出去,随着同伴数量增多、DPO 分子会变得更加集中并降落在负责检测的 VqmA 蛋白质探测器上。

当 VqmA 检测到 DPO 处于高水平,便会触发细菌体内一系列重新编程的基因,将感染的能力关闭、开启分散的能力,透过这样的群体感应,在时机成熟时大量离开宿主并感染下一个目标,而这也是霍乱弧菌的感染经常难以发现的原因。

而在透过网路数据库搜寻时,Silpe 发现许多与弧菌相关的细菌也有类似 VqmA 的探测器,但无独有偶的,台湾研究人员 10 年前在海洋弧菌中找到名为 VP882 的噬菌体似乎也有着类似的表达。

所谓的噬菌体,指的是以细菌为宿主的病毒,在感染宿主细菌后,噬菌体通常会採取两种行动:潜伏或杀戮,如果它选择后者,便意味着杀死宿主让大量的后代病毒爆发準备感染其他对象,但如果在杀死宿主后周遭没有适当的目标,这些病毒将走投无路。

Silpe 曾一度质疑 VqmA 在病毒上的作用,但在向发现者取得样本并进行详细的实验观察后,Silpe 证实 VP882 确实可以检测出细菌释放的 DPO 信号,当它偷听到周遭有很多宿主同伴时,便会从原先的潜伏状态转为下手杀死宿主细菌,让后代能够找到更多的感染来源。

Bassler 向大西洋週刊(The Atlantic)表示,这种窃听行为如此狡猾,过去从未有人发现过,而其中的逻辑其实也十分有趣。「在高密度情况下,寄生生活的霍乱弧菌会想要离开宿主进入下一个目标,而在高密度情况时,寄生在寄生的霍乱弧菌中的病毒也想要离开宿主进入下一个目标。它们在用同样的资讯準备做同样的事。」

VP882 所做的不仅仅是窃听。Silpe 发现它们自有的类 VqmA 探测器也可以启动宿主细菌相同的遗传程序,迫使其分散,或许就与细菌的打算相同,VP882 不仅确保后代有足够的宿主感染,同样也确保这些宿主广泛传播。

几十年来,科学家一直试图用噬菌体来治疗细菌性疾病,随着许多细菌进化到抵抗传统抗生素,运用噬菌体治疗的概念也就变得特别有趣,然而因为噬菌体选择宿主往往非常挑剔,研究人员必须为想要治疗的每种细菌感染找到不同的病毒。会偷听细菌「对话」,这种噬菌体病毒未来可能成为人类帮手

含有窃听病毒蛋白质探测器(红色标记)的大肠桿菌,图左为潜伏状态,图右为感测到适当时机转向杀戮模式。

而 Silpe 的研究则提供了另一种策略。与大多数仅限于特定宿主的噬菌体不同,VP882 可以感染多种细菌,虽然只会窃听弧菌(Vibrios)交换的讯息分子,但 Silpe 已试着将其设计来窃听其他细菌,像是沙门氏菌和大肠桿菌。这种病毒现在就像一个可编程的刺客,可以设定来追踪特定目标,「这就像演化带给我们的礼物。」

Bassler 强调,这还称不上是一种噬菌体疗法,团队目前只测试了在试管中编程的噬菌体,同样的方式是否能在临床中起作用得由其他研究团队找出解答。团队目前更感兴趣的是了解噬菌体如何在自然界中发挥作用,他们认为研究者长期以来低估了这些病毒。

「这些病毒还都是被归类为『无生命』的,古老的沟通方式还是有些美好之处。」