细菌病毒，也就是所谓的噬菌体，可以破坏细菌。细菌经常受到病毒的攻击。维也纳大学的微生物学家Martin Polz领导的一个研究小组，现在正在研究细菌如何保护自己不受病毒捕食者的侵害。这项研究表明，细菌具有可交换的基因元素，这些基因元素是专门为防御病毒而设计的，这使得细菌群体能够以惊人的速度转换其固有免疫功能。细菌如何以及以多快的速度对病毒产生耐药性的问题，对于开发以噬菌体为基础的治疗细菌感染的疗法具有核心重要性。这项研究现在发表在著名的《科学》杂志上。
细菌和噬菌体之间的掠食性相互作用
噬菌体是一种利用细菌作为宿主细胞的病毒。在自我复制的过程中，它们会破坏细菌细胞:被感染的细菌会产生病毒，直到它们破裂。作为微生物捕食者，噬菌体极大地塑造了微生物的多样化群落，这些群落在所有环境中、对所有活生物体以及对人类健康都发挥着重要作用。此外，由于不断增加的抗生素耐药性，噬菌体被认为是治疗细菌感染的一种有希望的替代抗生素的方法。“人们实际上在早期就使用噬菌体来对抗细菌。然而，它们后来被抗生素所取代，因为人们对病毒和细菌之间的相互作用还知之甚少，”维也纳大学微生物学和环境系统科学中心(CMESS)的Martin Polz说。大约一年前，这位微生物学家从美国剑桥的麻省理工学院(MIT)搬到了维也纳大学。他和他在麻省理工学院的团队发起的一个研究项目弄清了这种互动的真相。
国际研究小组发现移动防御基因的快速交换
来自维也纳大学、麻省理工学院和法国巴黎索邦大学(Sorbonne Université)的研究小组详细研究了细菌如何保护自己不受病毒侵害。该研究项目的负责人解释说:“每个细菌细胞都有一组防御基因，使其能够消灭某些病毒。”“我们的研究表明，这些防御基因在细菌细胞之间交换得非常快。这是可能的，因为它们被整合到所谓的移动基因元素中，而移动基因元素自己控制它们是否和何时从一个细胞转移到另一个细胞。”
对病毒的防御塑造了细菌的进化
每一种细菌不仅拥有与其他细菌相同的核心基因组，而且还包含可移动的遗传元素。这种可移动、可交换的基因组可以在单个细菌之间有所不同，但它的总体功能仍然知之甚少。研究表明，它主要有一个目的:噬菌体防御。因此，与病毒的斗争改变了基因组的交换，进而改变了细菌的进化。以色列魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)教授Rotem Sorek评论说:“这些发现让人们关注到了微生物世界中噬菌体防御的重要性。”Sorek本人并没有参与这项研究，他在噬菌体和细菌的相互作用方面进行了领先的研究。他说，通过对这些防御岛屿的精确分析，科学家们解决了一个困扰了研究人员十年的难题。
海洋弧菌先天防御机制的进化分析
这项研究分析了基因组固有的防御机制。“我们的研究结果强调，这种先天免疫主要负责防御病毒。根据实验室实验，以前人们认为细菌主要通过修饰病毒表面的受体来保护自己不受病毒侵害，”该研究的主要作者Fatima Aysha Hussain解释说。在三个月的时间里，研究人员每天都在新英格兰海岸收集水样，以探索弧菌细菌和那些在它们的实际栖息地与它们相互作用的病毒之间的相互作用。通过基因组和遗传分析，他们观察到了极其迅速的进化变化:在93天的研究中，单个细菌通过移动基因元件的交换产生了特定的耐药性。“这些变化发生在几代人，即细胞分裂，”首席研究员马丁·波尔茨解释说。“这意味着，在野外，细菌能够在几周到几个月的时间内对某些病毒产生耐药性。”
这对设计噬菌体疗法具有重要意义
噬菌体和细菌的相互作用非常特别。因此，病毒攻击只对单个细菌有效，而对整个细菌物种无效。这项研究证明了为什么会这样:“防御基因非常多样化，而且交换得非常快，所以种群中总是有大量的抗药个体，”马丁·波尔茨解释说。这项研究的发现不仅为微生物群落如何运作提供了基础知识。他们还指出了用噬菌体对抗细菌的挑战:“在开发噬菌体疗法时，必须考虑到耐药性的快速获得，因为与我们研究的那些相似的移动基因元素也导致了抗生素耐药性的快速发展。”
