Science首次证明：在基因一致的肠道细菌中，不同的噬菌体种群可以共存

发表在《科学》杂志网络版上的一项新研究首次提供了证据，证明单一细菌物种——噬菌体的宿主——可以维持竞争噬菌体物种的多样化群落。了解一种以上的病毒如何在一种细菌上长期存活，有助于设计下一代病毒（噬菌体）鸡尾酒来治疗细菌感染。

　　

能感染并杀死细菌的病毒（称为噬菌体）有望成为治疗危险感染（包括对抗生素产生抗药性的菌株）的新型疗法。然而，病毒学家对噬菌体如何在其感染的细菌细胞群中持续存在知之甚少，这阻碍了噬菌体疗法的开发。

发表在《科学》（Science）杂志上的一项新研究首次证明，作为噬菌体宿主的单一细菌物种可以维持一个由相互竞争的噬菌体物种组成的多样化群落。由纽约大学格罗斯曼医学院、牛津大学和耶鲁大学的研究人员领导的这项研究表明，在基因一致的大肠杆菌菌株群体中，有多个噬菌体物种稳定共存。

研究人员发现，尽管病毒之间存在竞争，但不同的噬菌体种类更喜欢群体中随机出现的生长速度较慢或较快的细胞。这样，每种噬菌体都能在同一宿主身上找到独立的生态位，从而实现稳定共存。例如，当地缺乏营养（饥饿）可能会减缓某些细胞的生长速度，以保护稀缺资源。在目前的研究中，两种噬菌体（N 和 S）共存，因为 N 噬菌体更适合在快速生长的细菌细胞中生存，而 S 噬菌体则更适合在缓慢生长的细胞中生存。

噬菌体疗法的设计者希望避免抗生素治疗中的问题，即某种药物杀死细菌，但留下了对该药物作用机制最有抵抗力的部分细菌。这些幸存者是一个主要问题，因为他们已经对现有的治疗产生了抗药性。

“了解一种以上的噬菌体如何在单一细菌上存活，可以帮助设计下一代噬菌体鸡尾酒，例如，每个噬菌体物种可能在其生命周期的不同阶段攻击细菌，从而使整个种群在对治疗产生耐药性之前被杀死。”第一研究作者Nora Pyenson博士说，她是纽约大学朗格尼健康中心系统遗传学研究所的合著者Jonas Schluter博士实验室的博士后学者。

Pyenson博士补充说：“目前还没有噬菌体疗法成为细菌感染的标准治疗方法，要么是因为在过去的尝试中，单个噬菌体不能杀死所有的目标细菌，要么是因为细菌进化出了耐药性，类似于抗生素耐药性的进化。”

实验室已经在测试噬菌体疗法作为抗生素的替代品。例如，这篇论文的合著者之一、耶鲁大学的Paul Turner博士领导了一项临床试验，利用噬菌体对抗铜绿假单胞菌，这种细菌会导致囊性纤维化患者肺部的严重炎症。Schluter博士的实验室正在研究噬菌体在人类和小鼠肠道生态系统中的作用，这可能会影响沙门氏菌等感染的未来治疗方法。一个主要目标是预测噬菌体给药的影响，并设计噬菌体疗法，与目前必须为单个患者量身定制的版本不同，噬菌体疗法在许多患者中普遍有效。

噬菌体生态学的重要性

了解物种多样性是生态学和进化生物学的一个基本问题。从鸟类到植物再到细菌，实现多样性的一个主要因素是，物种在竞争资源的同时找到了共存的方法。然而，传统上人们并不把病毒放在这种“社会”背景下考虑。

目前的研究小组通过实验验证了长期以来的假设，即细菌的遗传多样性限制了病毒物种的多样性。这导致了一种预期，即一种噬菌体类型将胜过所有其他噬菌体，成为唯一的幸存者。然而，就像多细胞生物在其微生物组中宿主多种细菌一样，新的结果表明，一种细菌菌株本身可以宿主多种噬菌体物种。

“我们的研究为研究病毒的社会生活这一新兴领域做出了贡献，”Pyenson博士补充道。“我们通常只考虑病毒对宿主的影响，但它们也存在于其他病毒物种的环境中。这些噬菌体群落展示了多样性是如何在最简单的生物中出现的。”

有趣的是，人类肠道中存在多样化的细菌群是健康的标志，因为多样化的物种（微生物组）能够更好地抵抗任何入侵的致病物种的统治企图。出于同样的原因，占据肠道细菌的病毒群也正在成为健康的重要调节器，异常的噬菌体混合被认为会导致败血症等疾病。

“这项工作代表了我们对噬菌体生态学理解的转变，多亏了Nora的工作，她经历了一场大流行，跨越了四个实验室，我们现在可以开始了解噬菌体在与不同病毒物种共存时的进化，以及这如何影响它们在健康和疾病中的作用。”

部分工作资金由生命科学研究基金会和西蒙斯基金会提供给Pyenson博士，以及由美国国立卫生研究院下属的国家自身免疫和传染病研究所提供的新创新者奖（DP2AI164318）提供给Schluter博士。