宿主跑得够快就能“淘汰”病毒？

傅雄飞团队通过定量合成生物学研究揭示生物“迁徙淘汰”病毒新机制

　　

普遍观点认为，宿主的运动会加速病毒的传播。但也有生态学研究表明，宿主的运动对病毒传播起到抑制作用，北美帝王蝶就是一个典型例证。观察显示，那些进行长距离迁徙的帝王蝶相较于不迁徙的同类，感染寄生虫病的风险显著降低。基于这一现象，生态学家提出了“迁徙淘汰”假说，认为迁徙行为有助于淘汰掉病毒感染者从而维持群体健康。

自然界中迁徙行为到底是增强还是抑制病毒传播，其背后的机制尚不清晰。在哪些条件下，宿主运动能够抑制病毒的传播？如果运动真能有效抑制病毒的传播，是否宿主跑得够快，就能淘汰、清除病毒呢？

12月3日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所傅雄飞团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表最新研究成果，通过定量合成生物学手段构建了一个宿主-病毒共迁徙实验系统，发现了宿主在无方向型空间扩张迁徙（unguided range expansion) 条件下，宿主运动将促进病毒传播；然而，在有方向型空间扩张迁徙运动中(navigated range expansion)，宿主运动可以抑制病毒传播，从而解释了以往人们对宿主运动对病毒传播存在两种截然相反观点的原因，并且揭示了“迁徙淘汰”的机制：在有方向型的空间扩张迁徙中，未被感染的宿主处于迁徙扩张前沿（front）的前端，而病毒感染者处于后方位置，这种空间位置的有序分布（spatial sorting)导致了病毒感染者更容易被淘汰出去。深圳先进院为第一单位和通讯单位。

巧妙构建可定量、调控的细菌-噬菌体共迁徙实验系统

研究人员巧妙利用实验室中常见的细菌——大肠杆菌，及其病毒——M13噬菌体，利用合成生物学手段构建了细菌-噬菌体共迁徙的实验室系统，实现了宿主运动性和病毒侵染能力等系统关键参数的定量调控，突破了传统生态研究手段的局限。

研究发现，当细菌被敲除了趋化基因后，只能依靠自身生长和无序随机运动进行“无方向型空间扩张”，其迁移速度越快，噬菌体传播越广；相反，野生型的细菌拥有趋化基因，能通过化学引导进行“定向型空间扩张”，随着迁移速度的提高，噬菌体的传播范围反而越小（图1）。

 

图 1 （A）细菌-噬菌体空间上的共传播形成一个扇形感染区。（B）无方向型空间扩张和（C）定向型空间扩张下细菌的运动性和病毒传播的关系

结论显示，细菌的趋化运动是抑制病毒传播的关键。细菌的趋化运动速度越快，病毒传播范围越小，甚至感染病毒的个体能从整个迁徙群体中清除出去，即出现了生物迁徙与病毒传播之间的“迁徙淘汰”现象。

论文第一作者、深圳先进院合成所助理研究员张易博士指出，过去，针对病毒传播时空动力学的研究主要依赖流行病学调研等，大多数基于经验性理论，缺乏实验体系的验证。该研究借助合成生物学手段构建了宿主-病毒互相作用的微生态系统，利用数学模型预测及指导实验，深入理解了病毒随宿主空间传播的特征，为其他病毒传播问题提供了新思路和新实验手段。

借助定量合成生物学手段验证

基于构建的细菌-噬菌体空间互相作用的数学模型预测结果，作者借助合成生物学手段，对宿主细菌的运动行为以及噬菌体的侵染繁殖行为进行调控（图2A），从而证实了细菌的趋化运动速度抑制病毒传播，并在运动速度比较高的情况下发生病毒从共传播状态到“迁徙淘汰”状态的相变现象（图2B）。

图 2 （A）细菌运动行为和噬菌体繁殖能力可定量调控的菌株设计原理图。（B）不同迁移速度和噬菌体繁殖能力下的菌株“迁徙淘汰”相变图。（C）“迁徙淘汰”的空间分选机制及（D）实验验证。

研究进一步发现，当细菌群体在趋化作用下向外扩张时，会形成一个细菌数量恒定的前锋营，其通过细菌自我繁殖时同步淘汰掉位于后方的个体来实现。模型预测显示，由于病毒无法自主移动，不可运动的噬菌体总是落后于可运动的细菌，因此，前锋营中健康细菌位于前端，而感染者则位于后端并被淘汰。随着前锋营运动速度的加快，淘汰速度也相应加快，导致感染者从群体中被清除（图2C），并通过实验验证了该机制假说（图2D）。

这也意味着，细菌毫无方向地“乱跑”对淘汰病毒是没有意义的，只有在有方向性的空间扩张下、宿主跑得够快才能实现“淘汰病毒”。该研究通过阐明宿主运动与病毒传播之间的复杂联系，为探讨自然界更广泛的病毒传播问题提供了新的实验模型和理论基础，将有助于在流行病学背景下更好地理解传染病的防控。

通讯作者、深圳先进院合成所傅雄飞研究员指出，研究通过在分子层面定量调控了细菌迁移速度和噬菌体侵染能力，结合数理模型，揭示了在定向空间扩张宿主与病毒共迁移系统的时空有序结构，从而解释了群体层面生物的“迁徙淘汰”机制，实践了定量合成生物学“造物致知”的理念。同时，研究也为物理学、定量生物学、计算生物学、生态学和传染病学等多学科的交叉融合提供了示范。