研究人员详细描述了噬菌体DEV的完整分子结构，该噬菌体专门针对并破坏铜绿假单胞菌。这种细菌已知会在囊性纤维化和多种其他疾病中引起机会性感染。DEV是旨在消除铜绿假单胞菌感染的开创性噬菌体混合物的关键组成部分，该混合物正在早期研究中开发。攻击细菌的病毒称为噬菌体，是地球上最普遍的生物实体，并且越来越多地被用作抗击抗生素抗性细菌感染的治疗手段。
细菌病毒即噬菌体，是地球上最普遍的生命形式。最近一项简单的研究查看了来自美国浴室的92个淋浴头和36个牙刷，发现了超过600种不同类型的噬菌体。实际上，一茶匙海岸海水中大约含有5000万个噬菌体。
尽管噬菌体常常不被注意，但它们对人类是无害的。相反，这些病毒正逐渐被认知为消除有害细菌的潜在治疗手段，特别是那些对标准抗生素具有抗性的细菌。
在发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中，来自伯明翰阿拉巴马大学的吉诺·辛戈拉尼（Gino Cingolani）博士和来自意大利米兰大学的费德里卡·布里亚尼（Federica Briani）博士共同展示了噬菌体DEV的完整分子结构。DEV不仅感染而且摧毁铜绿假单胞菌，这是一种在囊性纤维化和众多其他疾病中显著的机会性病原体。该噬菌体是一个实验性鸡尾酒的一部分，旨在解决初步研究中的铜绿假单胞菌感染。
DEV的一个独特特征是具备一个3398个氨基酸的噬菌体相关RNA聚合酶，该聚合酶在感染过程中释放到细菌内。辛戈拉尼和布里亚尼的发现意外地表明，这种RNA聚合酶是一个机制的组成部分，该机制在噬菌体附着到铜绿假单胞菌并利用其尾部结构穿透细菌的外膜和内膜后释放噬菌体的DNA。
辛戈拉尼指出：“我们认为DEV DNA排放系统的设计原则可能在所有Schitoviridae噬菌体中是共享的。”他补充道：“截至2024年10月，已有超过220个Schitoviridae基因组被测序，并可在公共数据库中访问。其中许多基因组尚未完全注释，并且几个开放阅读框缺乏明确的功能。我们的研究为发现新的Schitoviridae噬菌体时更容易识别结构元素打下了基础。”
Schitoviridae噬菌体家族是一些研究最少的细菌病毒，并且越来越多地被用于噬菌体疗法。辛戈拉尼解释道：“我们正在采用结构生物学揭示基本构建块并勾勒基因产物。了解这一点在处理快速演化的氨基酸序列时至关重要，这些序列对传统的系统发生分析具有挑战性。”
研究人员采用冷冻电子显微镜、生化技术和基因修饰详细描述了DEV的整个分子结构，DEV的DNA基因组由91个开放阅读框组成，包括大的噬菌体相关RNA聚合酶。辛戈拉尼补充说：“这种噬菌体相关RNA聚合酶是我们检查的所有Schitoviridae基因组中存在的一个三基因操作子的一部分。”他表示：“我们建议这三种蛋白质被释放到宿主中，以形成一个机制，通过细菌细胞包膜排出基因组。”
像DEV这样的噬菌体的结构 resembles 1969年尼尔·阿姆斯特朗的登月舱的小型版本，具有一个大型头部或衣壳，包裹着基因组，还有长长的腿状纤维，锚定噬菌体在细菌表面，才感染活细菌细胞。
研究人员还绘制了DEV衣壳和尾部中所有与宿主附着相关的蛋白质的结构。他们的遗传实验确定，DEV的长尾纤维对感染铜绿假单胞菌至关重要，但对缺乏O抗原的铜绿假单胞菌突变体的感染则没有必要。通常，病毒作为感染的关键第一步，附着在各种细胞表面分子上。
尽管提供了噬菌体结构的几张快照，研究人员对DEV感染过程并没有全面的理解。他们构想了这一感染程序的三个阶段。
在第一个阶段，作为一个独立的DEV噬菌体，灵活的长尾纤维会调整以增加与铜绿假单胞菌表面的脂多糖接触的可能性。在初次接触后，所有五根纤维固定住，以将噬菌体紧紧贴在细菌表面。
第二个阶段涉及一根短尾纤维作为尾塞接触铜绿假单胞菌的次级受体，触发一个机械信号释放这个尾塞。
到目前为止，三种蛋白质——gp73、gp72 和 gp71——已储存在噬菌体头部靠近尾部的地方，但它们的形状将在离开噬菌体时发生剧烈变化。在第三个阶段，一旦尾塞被移除，这三种蛋白质便被排入细菌细胞包膜。首个蛋白质gp73会改变自己的形状，在外膜中创建一个孔。在此之下，gp72转变为一个中空的结构，跨越铜绿假单胞菌的周质——位于细菌外膜和内膜之间的区域。最后，gp71穿过内膜，转变为细菌细胞浆中的广泛RNA聚合酶马达，以通过gp73和gp72形成的中空通道将噬菌体DNA拉入铜绿假单胞菌细胞内。
作为生物化学与分子遗传学系的教授，辛戈拉尼最近接管了UAB新成立的整合结构生物学中心，该中心于今年夏天由阿拉巴马大学系统理事会批准。该中心将协助UAB研究人员研究生物大分子（如蛋白质和核酸）的三维结构，以理解其功能和机制。
整合结构生物学旨在可视化大分子如何运作的全面视图，利用不同的方法研究分子结构及其相互作用。UAB整合结构生物学中心将主要关注与感染、炎症、免疫、癌症和神经退行性变相关的生物学问题。
