一个研究团队正在努力理解细菌如何利用病毒消灭竞争对手，这可能有助于寻找抗生素的替代方案。噬菌体是一种针对并摧毁细菌的病毒，广泛存在于自然界中，并在控制微生物种群中发挥着关键作用，尽管这一过程的细节仍未完全了解。犹他大学和伦敦大学学院（UCL）的一项最新研究发现，植物细菌病原体能够利用自身噬菌体的部分来消灭竞争者。根据犹他大学生物科学学院的助理教授塔利亚·卡拉索夫的说法，在微生物病原体中发现噬菌体是意想不到的，可能提供了抗生素的替代方案。
卡拉索夫和一个国际科学家团队对他们研究的发现感到惊讶。
卡拉索夫的研究重点是植物与微生物病原体之间的相互作用，她指出尽管微生物病原体非常丰富，但它们并不总是引起人类、动物或植物的疾病。卡拉索夫实验室正在努力揭示导致这一现象的因素。该研究重点对比了导致疾病和爆发的病原体传播与这些病原体的控制之间的差异。实验室之前的研究考察了一种特定的细菌病原体——绿榆黄单胞菌在农业和自然环境中的行为。他们发现该病原体的一个变种将在耕种的作物田地中广泛传播，成为主要微生物。然而，这种现象并未在未耕作的土地上发生，这促使卡拉索夫和团队进行进一步调查。他们的发现表明，在未耕作的土地上，没有单一的细菌谱系能够占主导地位，这使他们质疑噬菌体或细菌病原体的病原体是否能够阻止单一谱系的主导地位。也许这些噬菌体是禁止这种现象发生的原因。“我们的研究最初关注的是识别哪些噬菌体感染植物细菌病原体，但我们发现了意想不到的事情，”卡拉索夫说。“我们发现细菌重新利用它们来对抗其他细菌，利用它们消灭竞争的细菌。”这项研究发表在《科学》杂志上，揭示了病原体获取了非自我复制的被重新利用的噬菌体簇，称为尾毒素，用于穿透其他病原体的外膜。在发现细菌病原体种群中的这种持续斗争后，卡拉索夫实验室和UCL的赫尔南·布尔巴诺实验室检查了现代和历史病原体的基因组，以理解细菌如何相互针对。
“你可以想象细菌之间不断的斗争，它们试图消灭彼此并随着时间的发展对彼此产生抗性，”布尔巴诺解释说。“我们研究的过去200年中的标本提供了这种斗争的一个视角，揭示了细菌是如何避免被竞争对手杀死的。”
挖掘标本以获取微生物DNA
布尔巴诺一直处于利用标本研究植物及其微生物病原体进化的前沿。在他的实验室中，来自一个多世纪前的寄主植物和相关微生物的基因组被测序。
在噬菌体研究中，布尔巴诺检查了在德国西南部收集的阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）的历史标本，随后将这些标本及其包含的微生物与当今在同一区域生长的植物进行了比较。
“德国是我们在当今数据集中发现的历史尾毒素的来源，表明进化保持了过去一个世纪尾毒素变体的多样性，”研究人员说。“这暗示了我们研究的细菌种群中可能存在的有限数量的抗性/敏感机制。”
首席作者塔利亚·巴克曼 Wonders考虑到尾毒素是否可能是解决感染人类的有害细菌日益严重的抗生素耐药性问题的解决方案。“我们的社会迫切需要新的抗生素，而尾毒素有潜力成为新的抗微生物剂，”她说。
根据巴克曼的说法，尾毒素是一个有趣的研究领域。尽管其他细菌基因组中发现了尾毒素，并在实验室环境中进行了研究，但它们在野生细菌种群中的影响和进化此前是未知的。发现这些野生植物病原体都拥有尾毒素，并且这些尾毒素正在不断进化以摧毁邻近细菌，显示出它们在自然界中的潜在重要性。
“与大多数农药类似，我们的许多抗生素都是在多年以前创建的，以消灭各种有害生物，包括对人类和植物健康有害和有益的生物。”另一方面，尾毒素比许多现代抗生素更具特异性，因为它们仅针对少量细菌菌株。这表明它们可以在不对整个生物群落造成伤害的情况下使用。
根据卡拉索夫的说法，这目前是基础研究，还未准备好用于实际应用。然而，适应尾毒素以治疗感染的潜力是存在的。他还指出，社会通常在农业和人类的细菌病原体中使用广谱治疗。尾毒素杀菌的特异性可能会导致未来治疗方案更具个性化。
该研究题为“在6月14日的《科学》杂志上发表的最新研究发现，具有噬菌体尾巴样的细菌素能够在致病细菌的元种群中压制竞争者。这项研究得到了美国国家卫生研究院、犹他大学创业基金、莱弗赫尔梅信托基金和皇家学会的资助。犹他大学生物科学学院与伦敦大学学院、马克斯·普朗克生物研究所、乔治亚大学复杂碳水化合物研究中心分析服务和培训实验室、纽约大学、犹他大学生物化学系以及劳伦斯·伯克利国家实验室合作进行该研究。
