一项近期研究提供了对单一类型细菌如何作为噬菌体宿主支持多种竞争噬菌体物种的洞察。了解多种病毒类型如何在一种细菌上生存，可能为创造先进的病毒治疗（噬菌体鸡尾酒）以对抗细菌感染铺平道路。
噬菌体是感染并杀死细菌的病毒，是治疗严重感染的有希望的替代方案，尤其是那些由抗生素耐药菌株引起的感染。然而，对于这些噬菌体如何在它们所针对的细菌种群中保持存在仍然了解有限，这使得噬菌体疗法的发展变得复杂。
发表在12月13日《科学》杂志上的一项研究揭示了一种细菌物种可以维持多种竞争噬菌体物种的证据。这项研究由来自纽约大学格罗斯曼医学院、牛津大学和耶鲁大学的科学家们领导，证明了多种噬菌体物种可以在一种遗传上均匀的E. coli菌株上稳定共存，这是一种通常存在于人类肠道中的细菌，其中一些可以引起疾病。
研究发现，即使在竞争中，不同噬菌体物种也会被随机出现的较慢或较快生长的细菌细胞所吸引。因此，每种噬菌体物种可以在同一宿主内占据独特的生态位，从而实现稳定共存。例如，由于营养物质稀缺，一些细胞可能会减缓生长。在这项研究中，两个噬菌体物种，分别称为N和S，共同繁荣，因为N在快速生长的细菌细胞中表现优异，而噬菌体S更适合生长较慢的细胞。
噬菌体疗法的开发者旨在解决抗生素治疗中的挑战，即抗生素可能会消灭大部分细菌，但一些耐药菌株得以幸存。这些残留的细菌特别令人担忧，因为它们可以抵抗现有的治疗方法。
“了解多种噬菌体类型如何在单一细菌上持续存在可以帮助设计下一代噬菌体鸡尾酒，”研究的第一作者、纽约大学朗格大学Jonas Schluter实验室的博士后研究员Nora Pyenson表示。“例如，不同的噬菌体物种可能会针对细菌生命周期的不同阶段，可能会在抗性发展之前消灭整个细菌种群。”
Pyenson博士补充道：“目前，没有噬菌体疗法成为治疗细菌感染的标准，这在很大程度上是因为以前针对单一噬菌体的尝试未能消灭所有目标细菌，或者这些细菌最终进化出抵抗该治疗的能力，类似于它们抵抗抗生素的方式。”
研究实验室正在探索噬菌体治疗作为抗生素的可行替代方案。例如，耶鲁大学的Paul Turner博士正在领导一项临床试验，使用噬菌体对抗Pseudomonas aeruginosa，该细菌可以导致囊性纤维化患者严重的肺部炎症。与此同时，Schluter实验室正在研究噬菌体在人类和小鼠肠道生态系统中的作用，以指导未来针对如Salmonella等感染的治疗。一个总体目标是预测噬菌体投放的效果并创造在许多患者中普遍有效的治疗，而不像目前的治疗需要针对个体进行调整。
噬菌体生态的重要性
理解物种之间的多样性是生态学和进化科学中的一个重要问题。物种多样性的一个重要贡献者是物种如何在竞争资源的同时共存。然而，历史上，病毒并未被考虑在这一“社会”框架中。
研究团队测试了长期以来的观点，即细菌的遗传多样性限制了病毒物种的多样性。这一假设导致预期单一的噬菌体类型会消灭所有竞争者。然而，正如多细胞生物可以在其微生物组中寄宿多种细菌物种，这项研究表明单一的细菌菌株也可以容纳多样的噬菌体物种群体。
“我们的发现为研究病毒的社会互动这一日益增长的领域做出了贡献，”Pyenson博士指出。“我们通常只是从它们对宿主的影响来理解病毒，忽视了它们与其他病毒物种的相互作用。这些噬菌体群体例证了即使在最简单的生物实体之间如何出现多样性。”
有趣的是，人体肠道中的多样细菌群是健康的标志，因为这种丰富的微生物组更能抵御入侵的疾病。类似地，居住在肠道细菌中的各种病毒正逐渐成为健康的关键因素，异常的噬菌体混合物被认为在败血症等疾病中起着作用。
“这项研究标志着我们对噬菌体生态理解的转变，”NYU Langone微生物学系的教授Schluter博士说。“多亏了Nora的努力，她在疫情期间跨越四个实验室进行了这项研究，我们现在可以开始理解噬菌体如何在多样化病毒物种丰富的环境中进化，并塑造它们在健康和疾病中的角色。”
在纽约大学朗格大学的Pyenson和Schluter博士，以及耶鲁大学的Turner博士的支持下，研究贡献者还包括耶鲁大学生态与进化生物学系的Asher Leeks和Odera Nweke；加州理工学院地质与行星科学系的Joshua Goldford；牛津大学生物系的Kevin Foster；以及西班牙萨拉曼卡大学功能生物学与基因组研究所的Alvaro Sanchez。Foster博士和Sanchez博士与Pyenson博士共同担任对应作者。
这项研究的部分资金来自生命科学研究基金会和Simons基金会给予Pyenson博士的支持，以及国家自身免疫和感染疾病研究所（NIH奖DP2AI164318）给予Schluter博士的新创新者奖。
