一個(gè)全新的抗生素世界！Nature子刊報(bào)道單個(gè)噬菌體蛋白特性研究新方法

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2023-03-15 09:20:00【大中小】

摘要：一個(gè)全新的抗生素世界正等待著感染細(xì)菌的病毒。科學(xué)家們正在使研究它們變得更容易。

隨著傳統(tǒng)抗生素對(duì)不斷進(jìn)化的病原體不斷失去效力，科學(xué)家們熱衷于使用噬菌體(感染細(xì)菌的病毒)完善的殺菌技術(shù)。

他們面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是難以研究單個(gè)噬菌體蛋白，并精確確定病毒如何利用這些工具殺死宿主細(xì)菌。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的新研究可能有助于加快這一進(jìn)程。

伯克利實(shí)驗(yàn)室生物科學(xué)領(lǐng)域的Vivek Mutalik說(shuō)“我們開(kāi)發(fā)了一種高通量基因篩查方法，可以識(shí)別一種稱(chēng)為‘單基因裂解蛋白（single-gene lysis proteins）’的強(qiáng)效噬菌體武器靶向的細(xì)菌細(xì)胞的部分，隨著抗生素耐藥性的上升，我們迫切需要抗生素替代品。我們所知道的一些最小的噬菌體編碼單基因裂解蛋白(Sgls)，也被稱(chēng)為‘蛋白質(zhì)抗生素（protein antibiotics）’，用于抑制細(xì)菌細(xì)胞壁生產(chǎn)的關(guān)鍵成分，當(dāng)這些成分被破壞時(shí)，會(huì)持續(xù)殺死細(xì)胞。”

圖1 開(kāi)發(fā)了一種高通量基因篩查方法識(shí)別單基因裂解蛋白（single-gene lysis proteins）

每一種已知的細(xì)菌都至少有一種噬菌體，它們被認(rèn)為是地球上數(shù)量最多的生物實(shí)體。事實(shí)上，目前地球上估計(jì)有1031個(gè)噬菌體粒子，相當(dāng)于每一粒沙子有一萬(wàn)億個(gè)噬菌體。這些噬菌體中的每一個(gè)都與它們所選擇的宿主菌株一起進(jìn)化，使它們能夠利用改進(jìn)的生物武器對(duì)抗細(xì)菌抗性性狀。

這種巨大的豐富性、特異性和有效性意味著有很多東西可以研究，理論上我們應(yīng)該能夠使用噬菌體來(lái)控制任何有害微生物。噬菌體對(duì)非細(xì)菌細(xì)胞也無(wú)害，這是它們作為藥物和生物防治工具如此有吸引力的另一個(gè)原因。

但當(dāng)試圖將單個(gè)噬菌體從環(huán)境中分離出來(lái)，并確定它針對(duì)哪種微生物以及如何靶向時(shí)，問(wèn)題就出現(xiàn)了。科學(xué)家們通常無(wú)法僅根據(jù)基因組序列來(lái)評(píng)估噬菌體與細(xì)菌的戰(zhàn)斗，也無(wú)法對(duì)它們進(jìn)行實(shí)際研究，因?yàn)樵S多細(xì)菌無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)——即使可以，也存在一個(gè)內(nèi)在的矛盾，即需要提前知道培養(yǎng)哪些細(xì)菌，以便研究感染和殺死它們的噬菌體。

為了避開(kāi)這些障礙并識(shí)別Sgls的細(xì)胞靶標(biāo)，Mutalik和他的同事使用了該團(tuán)隊(duì)之前發(fā)明的一種稱(chēng)為雙條形碼散彈槍表達(dá)庫(kù)測(cè)序(Dub-seq，生物通注)的技術(shù)。Dub-seq允許科學(xué)家使用編碼的DNA片段庫(kù)來(lái)研究未知基因的功能，并且可以應(yīng)用于包含許多生物DNA的復(fù)雜環(huán)境樣本——不需要培養(yǎng)。

圖2 全基因組篩選用于鑒定噬菌體編碼單基因裂解系統(tǒng)的宿主抑制因子

在這項(xiàng)研究中，作者使用了來(lái)自6種噬菌體的6種Sgls來(lái)感染不同的細(xì)菌，并確定了每種Sgl攻擊的細(xì)菌細(xì)胞壁的部分或支持分子。他們與德克薩斯A& M大學(xué)的科學(xué)家合作，對(duì)一種Sgl的功能進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

這項(xiàng)工作表明，Sgl蛋白靶向的細(xì)胞壁構(gòu)建途徑在細(xì)菌進(jìn)化史的早期就出現(xiàn)了，并且仍然被幾乎所有的細(xì)菌(包括致病菌)使用。由于Sgl蛋白攻擊這些基本和普遍存在的目標(biāo)，它們可以殺死噬菌體目標(biāo)菌株以外的細(xì)菌，這證實(shí)了它們作為抗生素的巨大潛力。

“在摧毀細(xì)菌方面，噬菌體是非凡的創(chuàng)新者。我們真的很高興能發(fā)現(xiàn)新的細(xì)菌病原體靶向機(jī)制，可以用于治療，”文章一作Benjamin Adler說(shuō)，他是加州大學(xué)伯克利分校Jennifer Doudna實(shí)驗(yàn)室的博士后。

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)評(píng)估了Dub-seq方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，他們可以將其應(yīng)用于數(shù)千個(gè)單基因裂解產(chǎn)生噬菌體的環(huán)境樣本中，該團(tuán)隊(duì)從海洋、土壤，甚至人類(lèi)腸道中收集到的樣本。下一個(gè)突破性醫(yī)學(xué)的靈感可能就在那里，等待著。

參考資料：

[1] Benjamin A. Adler, Karthik Chamakura, Heloise Carion, Jonathan Krog, Adam M. Deutschbauer, Ry Young, Vivek K. Mutalik, Adam P. Arkin. Multicopy suppressor screens reveal convergent evolution of single-gene lysis proteins. Nature Chemical Biology, 2023; DOI: 10.1038/s41589-023-01269-7