Catholic University of America的一组研究人员发现，有证据表明细菌用来抵御噬菌体攻击的防御机制也可能对噬菌体有利。在发表在《Science Advances》上的论文中，该小组描述了测试CRISPR-Cas9对感染大肠杆菌的噬菌体的影响，以及他们发现了什么。在自然界中，CRISPR-Cas9是细菌用来抵御噬菌体病毒攻击的一种防御机制——像大肠杆菌这样的细菌通过切断噬菌体的基因组并将其序列插入到自己的基因组中来对抗噬菌体，而这些基因组将在未来用于检测和摧毁噬菌体。
博科园-科学科普：另一方面，噬菌体通过劫持细菌细胞的复制能力来攻击，并创造一个环境，使它们能够制造新的病毒。由于他们能够剪切、编辑、插入和关闭一个基因组，科学家们一直在操纵细菌和他们的编辑技能来编辑其他物种的基因，比如人类。在这项新研究中，研究人员发现，细菌使用的防御机制可能也在帮助噬菌体，使它们以有益的方式发生变异，速度比不这样做的更快。正因为如此，研究人员认为细菌的使用技术可能是一把双刃剑。
基于蛋白质数据库ID 5AXW的金黄色葡萄球菌蛋白Cas9(白色)。图片：Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)
研究人员指出，由于发现CRISPR-Cas9在基因编辑中的有用性，对自然过程的研究已经退居其次。为了了解更多信息，选择关注这一过程对噬菌体的影响，而不是细菌。为此研究了带有噬菌体感染的大肠杆菌培养中斑块的遗传组成。发现噬菌体基因组的进化速度比那些没有受到细菌防御机制攻击的基因组快六倍，使它们对未来的CRISPR攻击更具抵抗力。研究人员认为，细菌和噬菌体之间的战争在双方都取得了成功，因为它们现在是地球上最丰富的物种之一。
新的研究显示，感染细菌的病毒颗粒可以协同工作，克服抗病毒防御。这种病毒被称为噬菌体，研究显示了一种病毒的粒子是如何以波状攻击的——首先削弱细菌的防御能力，然后杀死细菌。这些发现是有助于改善噬菌体疗法的关键突破，噬菌体疗法被用于治疗威胁生命的细菌感染。细菌有像CRISPR-Cas这样的防御系统来保护自己不受感染的病毒的侵害。就像一场军备竞赛，噬菌体抵消了这种防御，以跟上细菌，并为自己配备了被称为“抗crispr”的分子。埃克塞特大学的研究表明，单病毒颗粒不能完全抵消其自身的缺陷——但如果有足够多的粒子在一起，“团队合作”就能让它们克服它，并在细菌种群中建立感染。
图片：CC0 Public Domain
埃克塞特大学彭林校区环境与可持续性研究所的玛丽安·兰德斯伯格博士说：足够多的病毒颗粒可以使攻击对他们有利。在这个‘引爆点’以下的病毒数量对细菌的攻击似乎导致了噬菌体入侵者的灭绝。相比之下，超过临界点的病毒数量可以让噬菌体同时或顺序地感染一个给定的细菌，从而控制住细菌。对观察到的‘引爆点’的一种解释是，两种具有抗crispr分子的病毒同时攻击同一种细菌，从而结合各种力量来灭活CRISPR-Cas防御。这种情况更有可能发生在数量非常多的病毒中，两种噬菌体同时感染同一种细菌的可能性更高。
研究人员发现，如果环境中存在足够多的病毒，细菌的“连续感染”会导致细菌种群的流行。这个过程涉及到第一个病毒入侵细菌，通过阻断现有的CRISPR-Cas防御，部分削弱了细菌的免疫系统，但未能正确地感染细胞，最终被剩余的活跃的CRISPR-Cas系统破坏。第二种病毒能够利用其抗crispr分子克服这些残余的CRISPR-Cas防御，并成功地感染并杀死细菌。Stineke van Houte博士说:这项研究表明，噬菌体可以共同作用来破坏细菌的免疫系统，这对利用噬菌体治疗人类感染具有重要的意义，因为使用噬菌体的剂量可以决定噬菌体是否能够杀死细菌。更普遍的是，这表明病毒可以以意想不到的方式协同工作，当它们的数量超过临界值时，就会导致突发的疾病爆发。
博科园-科学科普｜参考期刊：Science Advances，Cell｜研究/来自：埃克塞特大学
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