细菌太聪明了！它们会在敌人睡着后，开始偷装备
环球科学约 3 分钟图片来源：Unsplash
撰文｜温贝托·巴西利奥（Humberto Basilio）
翻译｜巢栩嘉
考虑到人体大约有1.8万亿个免疫细胞，美国约翰·霍普金斯大学的分子生物学家乔舒亚·W. 莫德尔（Joshua W. Modell）表示，单细胞的细菌竟能采用一种类似人类免疫系统的方式对抗病毒，这个发现至今仍令他“震惊”。
大概20年前，科学家发现细菌拥有一种名为CRISPR的适应性防御系统。它可以帮助微生物在再次遭遇曾经入侵过的病毒时，识别并摧毁病毒。最近，在一篇发表于《细胞·宿主与微生物》（Cell Host & Microbe）的论文中，莫德尔团队的研究加深了学界对细菌如何利用这一系统为自己“接种疫苗”从而对抗噬菌体的理解，要知道噬菌体通常能够杀死细菌。这些发现或许有助于研究针对“细菌耐药性”的新疗法，全球每年约有数百万人因此死亡。
细菌会利用CRISPR系统编辑自己的遗传密码。在首次接触病毒后，它们会利用一种特殊的酶在自身基因组中打开几个缺口，并把病毒DNA的小片段（也称为间隔区，spacer）插入进去。通过这个举动，它下一次就能识别相同病毒，并予以清除。科学家已将这种酶作为“基因剪刀”，应用于各种情况的DNA编辑，从多种实验室实验到基因治疗等。不过，他们对于细菌如何开展这一过程，仍然知之甚少。“我们将其称之为CRISPR之谜，对于细胞中究竟发生了什么，我们几乎一无所知。”莫德尔说。
为了理解细菌如何抓获入侵病毒的DNA，他们利用化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）和能感染它们的噬菌体，进行了一系列对照实验。在感染阶段，大多数噬菌体会通过一个名为“裂解”的过程让细菌破裂，进而杀死它们。不过在其他情况下，噬菌体会整合到细菌DNA中，并进入休眠状态。这个状态也称为“溶原性”（lysogeny），一直极难进行研究。
在实验室中，莫德尔团队先利用可以进入休眠状态的噬菌体感染了一些细菌，又通过基因改造获得了可以维持活跃状态的噬菌体，并用它们感染了另一些细菌。随后，他们收集存活的细菌，检查了它们的遗传密码中是否有新添加的、源自病毒DNA的间隔区。
他们发现，当噬菌体“会休眠”时，细菌的基因组中会增加更多间隔区。莫德尔解释说，在病毒休眠时，细菌有充足时间捕获微小的病毒DNA片段，并将其储存在自身基因组之中。“CRISPR系统可以让细菌对失活形式的病毒产生记忆，就像是接种疫苗一样。”
为了确认这些发现，他们再次将携带有间隔区的细菌暴露于相同噬菌体，观察新形成的遗传记忆是否能保护细菌免受感染。结果显示，化脓性链球菌可以利用储存的基因片段识别噬菌体，并清除它们。
这些发现“相当惊人”，荷兰代尔夫特理工大学微生物学家斯坦·布龙（Stan Brouns，并未参与这项研究）评价道。理解噬菌体与细菌的相互作用，对于改进噬菌体疗法至关重要。科学家会利用这种疗法治疗由多种耐药细菌引起的感染。
美国北卡罗来纳州立大学的分子生物学家、噬菌体疗法公司轨迹生物科学（Locus Biosciences）联合创始人鲁道夫·巴伦古（Rodolphe Barrangou，并未参与这项研究）表示，这项新发现或能帮助研究人员设计“更通用”的噬菌体疗法，治疗更多由致病菌引发的感染。他说，已知细菌拥有超过150种对抗噬菌体的防御机制，我们的疗法必须避开这些机制。深入了解CRISPR的工作原理，“能激励该领域的研究者思考，如何将噬菌体疗法应用于更广泛的传染病治疗。”巴伦古表示。
本文选自《环球科学》2025年12月刊的前沿栏目。
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