在一个 新文 in 自然 - 化学生物学, IGI 附属研究员 维维克·穆塔利克 和 亚当·阿金 报告理解的进展 噬菌体 使我们更接近于使用这些小型捕食者来对抗抗生素耐药性的生物学 菌. Mutalik 与 IGI 的 Hope Henderson 讨论了他们的新发现。
您的实验室研究什么？
我们主要研究合成生物学和功能 基因组学 of 微生物. 首先，我们开发工具来研究细菌，在 微生物 上下文，并让他们做事。 一路走来，我对噬菌体着迷了
什么是噬菌体？
噬菌体，或简称噬菌体，是 病毒 感染细菌。
您是如何对研究噬菌体产生兴趣的？
噬菌体真是太神奇了。 噬菌体生物学和工程学一直是我的梦想，但我一直没有机会。 在过去的十年里，我们开发了一套新技术来研究噬菌体如何与细菌相互作用，这让我进入了这个领域。
关于噬菌体，我一直想知道的一件事是它们是如此之小，如此鬼鬼祟祟，但却开发了如此复杂的基因回路来控制宿主并复制自己。 一场军备竞赛发生了：噬菌体感染，细菌找到一种方法来保护自己，而噬菌体找到一种新的方法来反击。 这有点像捉迷藏，你知道吗？ 所以我真的很喜欢这些噬菌体和宿主防御机制如何塑造这种动态关系的发现方面
我还受到寻找解决方案的挑战，以解决不同地方（从食品制造到医院）不断上升的抗生素耐药性。 由于没有新的抗生素出现，我们迫切需要开发替代疗法。 噬菌体就是这样一种非常强大的抗生素替代品。 尽管它们很重要，但我们努力描述它们与目标细菌的相互作用， 基因 在噬菌体上编码和噬菌体抗性受到限制。 通过系统地描述它们的特征，我们可以想出一些聪明的方法来部署它们以减轻危险的细菌感染。 .
噬菌体如何可能用于对抗细菌感染？
噬菌体感染并杀死细菌。 因此，如果我们有一种对任何抗生素都没有反应的非常严重的细菌感染，但我们有可以杀死这种细菌的噬菌体，那么我们就找到了消除这种感染的替代方案。 挑战在于，正如我之前提到的细菌和噬菌体之间的军备竞赛一样，细菌一直在对我们的噬菌体产生抗药性。 所以我们需要想出一种新的噬菌体配方来解决这种新的细菌 突变体. 因此，我们要么需要大量针对不同受体的噬菌体，要么需要一种快速改造噬菌体的方法，以便在需要时拥有大量噬菌体变体。 我们最近发布了一个 意见件 在此基础上，并提供一些关于建立噬菌体铸造厂的新想法，以系统地表征噬菌体，不仅用于人类的细菌感染，而且用于食品、水产养殖和肉类工业等不同行业。
我认为噬菌体可能是与其他抗菌治疗结合使用的理想选择。 例如，最近有一些研究表明，如果细菌对抗生素有抗药性，则可以添加噬菌体，迫使细菌进化以生存。 而在噬菌体攻击中幸存下来的进化往往使它们再次容易受到抗生素的攻击。 所以你可以想象在感染的病人身上重复这个过程！ 目前正在进行多项临床试验，以评估我们最近提出的噬菌体疗法的疗效 审查.
你在最新的论文中看到了什么样的噬菌体？
我们的遗传物质是 双链 的DNA. 但是病毒有更多选择。 一些噬菌体使用双链 DNA，但其他噬菌体，如 SARS-COV-2 病毒, 使用单链 RNA. 大多数噬菌体研究都集中在双链 DNA 噬菌体上。
最近，随着新 基因组 技术，研究人员已经能够收集水或土壤样本中的所有 RNA 并对其进行测序。 研究人员已经在从人类肠道到海洋再到土壤的各个地方发现了大量的 RNA 噬菌体。 人们早就知道这些噬菌体的存在，但我们不知道它们的数量、它们感染的对象以及它们如何影响宿主或环境。
许多这些 RNA 噬菌体都很小。 一个人有大约 20,000 个基因，但这些微小的噬菌体只有四个基因：一个用于制造外壳，一个用于复制 RNA，一个有助于与目标细菌结合或将 RNA 转移到宿主体内 细胞，以及隐藏在基因组某处的基因，它使宿主细菌破裂或“裂解”。 这些 ssRNA 噬菌体中只有少数已在分子细节上进行了研究LS。
RNA 噬菌体如何攻击细菌？
嗯，基于几个模型 RNA 噬菌体的研究，我们知道它们与细菌表面称为菌毛的毛发状结构结合，并将它们的遗传物质注入目标细菌。 然而，我们在回答这些重要和基本问题时受到基本工具的限制。 我们甚至不知道如何分离单链 RNA 噬菌体，我们甚至不知道它们感染了哪些细菌或它们在做什么！ 从本质上讲，要了解这些最小的噬菌体，我们的问题多于答案。
所以在本文中，我们关注一个关键问题：一旦噬菌体进入内部，噬菌体及其神秘的裂解过程如何进行？ 蛋白质 杀宿主？
本文的合作者之一 Ry Young 研究噬菌体如何诱导裂解。 他的实验室和
其他人发现这些小 RNA 噬菌体基因组有一个单一的基因，可以引起裂解，足以杀死宿主。 它们也被称为“蛋白质抗生素”，因为它们针对的是抗生素所针对的相同蛋白质。
但是在被鉴定的数千个噬菌体中 基因组学，我们只知道这些裂解基因中的几个，而且只有几个在分子水平上得到了研究。 一旦进入目标细菌细胞，它们实际上会瞄准哪些蛋白质？ 裂解机制是什么？ 如果我们能回答这些问题，我们就会朝着能够将它们用于治疗的方向迈进。
您如何开始更好地了解噬菌体？
Ry 和他在德克萨斯 A&M 的团队是噬菌体裂解系统方面的专家，我们在 IGI 的团队：加州大学伯克利分校的 Adam Arkin 实验室、我的实验室和 LBNL 的 Adam Deutschbauer 实验室带来了我们在微生物遗传学、噬菌体专业知识和高通量基因组学技术方面的专业知识. 在这篇论文中，我们在屏幕上一起工作，以确定噬菌体针对的是细菌的哪一部分。 对于这项工作，我们从不同的单链 RNA 噬菌体中选择了一组单基因裂解区域。 我们发现了所有这些裂解蛋白的潜在目标。 我们跟进了一种来自 绿脓杆菌 噬菌体靶向对细菌存活很重要的肽聚糖或细胞壁生物合成途径中的特定基本步骤。 我们从早期的工作中知道，同样的步骤也被存在于感染大肠杆菌的噬菌体上的另一种单基因裂解蛋白所靶向。 这两种裂解蛋白——它们的基因序列和蛋白质结构确实不同，但它们针对肽聚糖或细胞壁生物合成的相同途径。 这真的很有趣！ 这是趋同进化的一个例子，其中单基因裂解蛋白存在于不同的噬菌体上，靶向相同的途径以启动目标细菌的裂解。 我们认为，随着我们跟进更多此类噬菌体编码的单基因裂解蛋白，我们会看到更多这样的例子。
更详细地说，这是一个带条形码的抑制器屏幕。 我们使用了基因组文库，其中细菌基因组片段添加了遗传“条形码”，以便快速轻松地识别。 这些片段被添加到 大肠杆菌 细菌。 因此，在每个细菌内部，片段上的任何基因都有额外的副本。 然后我们 表示 细胞中的单个裂解蛋白——因此，这是一种对细菌细胞有毒的噬菌体蛋白。 我们看到哪些细菌细胞存活下来。
存活和不存活的区别在于条形码片段上的基因是什么。 如果基因的额外拷贝有助于细菌细胞存活更长时间，则表明该蛋白质参与了裂解过程。 一旦我们确定哪些细胞是幸存者，我们就会使用条形码快速识别它们拥有的基因组片段。 然后我们通过额外的实验来跟进其中一些遗传筛选结果以验证命中。 您可以阅读论文中的所有详细信息！
您还有什么想分享的吗？
我们对这种方法研究更多噬菌体基因的潜力感到非常兴奋。 我们还可以扩展同一个屏幕来研究被称为“毒性基因”的功能未知的小细菌基因，并揭示它们的分子机制。
这是一个 IGI 资助的项目，所以我非常感谢 IGI 的资金支持。 Ben Adler 目前正在 Doudna 实验室担任博士后职位，他在博士期间领导了这个项目。 论文。
我非常感谢德克萨斯 A&M 的朋友们的合作，以及 DOE ENIGMA-SFA 为该项目的初始部分提供资金。
我已设法从伯克利实验室的实验室定向研究与开发 (LDRD) 计划获得资助，以继续研究 ssRNA 噬菌体及其所有谜团。 为此，我正在与 DOE 联合基因组研究所的 Simon Roux 合作，研究非模型非 dsDNA 噬菌体的生物学和工程的各个方面。
