利用重组子连续多重噬菌体基因组编辑

格拉德斯通研究所的科学家们已经开发出一种技术，可以让他们以一种精简而高效的方式编辑噬菌体的基因组，使他们能够设计新的噬菌体，并研究如何利用这些病毒来靶向特定的细菌。

　　

随着抗生素耐药性对我们的健康构成越来越严重的威胁，科学界和医学界正在寻找对抗感染的新药。格莱斯顿研究所(Gladstone Institutes)的研究人员刚刚用一种利用噬菌体力量的新技术向这一目标迈进了一步。

噬菌体，简称噬菌体，是一种自然接管并杀死细菌的病毒。数以千计的噬菌体存在，但迄今为止，用它们作为对抗特定细菌的治疗方法被证明是具有挑战性的。为了优化噬菌体疗法并使其适用于人类疾病，科学家们需要将噬菌体设计成有效的杀菌机器。这也将为治疗对标准抗生素有耐药性的细菌感染提供另一种方法。

现在，格拉德斯通大学的科学家们已经开发出一种技术，使他们能够以一种精简而高效的方式编辑噬菌体的基因组，使他们能够设计新的噬菌体，并研究如何利用这些病毒来针对特定的细菌。

“最终，如果我们想用噬菌体来挽救对多种药物有抗药性的感染者的生命，我们需要一种方法来制造和测试大量的噬菌体变体，以找到最好的噬菌体，”格拉德斯通副研究员赛斯·希普曼博士说，他是发表在《自然生物技术》上的一项研究的主要作者。“这项新技术让我们成功、快速地将不同的编辑引入噬菌体基因组，这样我们就可以创造出许多变体。”

这种新方法依赖于一种叫做逆转录酶的分子，它起源于细菌免疫系统，就像细菌细胞内的dna生产工厂一样。希普曼的团队已经找到了对逆转录酶进行编程的方法，这样逆转录酶就可以复制所需的DNA序列。当噬菌体感染含有逆转录酶的细菌菌落时，使用该团队新研究中描述的技术，噬菌体将逆转录酶产生的DNA序列整合到它们自己的基因组中。

敌人的敌人

与抗生素不同，噬菌体可以同时杀死多种细菌，而噬菌体对单个细菌菌株具有高度特异性。随着耐抗生素细菌感染率的上升——在美国每年估计有280万这样的感染——研究人员越来越多地关注噬菌体治疗作为对抗这些感染的替代方案的潜力。

“他们说敌人的敌人就是朋友，”希普曼说，他也是加州大学旧金山分校生物工程和治疗科学系的副教授，也是陈·扎克伯格生物中心的研究员。“我们的敌人是这些致病菌，它们的敌人是噬菌体。”

噬菌体已经在临床上成功地用于治疗少数患有危及生命的抗生素耐药性感染的患者，但开发这种疗法非常复杂、耗时，而且难以大规模复制。医生必须筛选自然产生的噬菌体集合，以测试是否有任何噬菌体可以对抗从单个病人身上分离出来的特定细菌。

希普曼的研究小组希望找到一种方法来修改噬菌体基因组，以创建更大的噬菌体集合，这些噬菌体可以用于筛选治疗用途，同时收集有关使某些噬菌体更有效或使它们对细菌目标更具特异性或更少特异性的数据。

“作为细菌的天然捕食者，噬菌体在塑造微生物群落方面发挥着重要作用，”格莱斯顿大学前研究助理、这项新研究的共同第一作者克洛伊·菲什曼(Chloe Fishman)说，她现在正在洛克菲勒大学攻读研究生学位。“重要的是要有工具来修改它们的基因组，以便更好地研究它们。如果我们想要改造它们，这样我们就可以塑造对我们有益的微生物群落，例如杀死耐抗生素细菌，这也很重要。”

连续噬菌体编辑

为了精确地设计噬菌体基因组，科学家们转向了逆转录酶。近年来，希普曼和他的团队率先开发和使用逆转录酶来编辑人类细胞、酵母和其他生物体的DNA。

希普曼和他的同事们首先创造了逆转录酶，这种逆转录酶产生的DNA序列专门用于编辑入侵的噬菌体——这个团队称之为“重组体”的系统。然后，他们将这些逆转录酶放入细菌菌落中。最后，他们让噬菌体感染细菌菌落。当噬菌体一个接一个地感染细菌时，它们不断地从重组子那里获得并整合新的DNA，并在此过程中编辑自己的基因组。

研究小组表明，他们让噬菌体感染含有重组蛋白的细菌菌落的时间越长，被编辑的噬菌体基因组数量就越多。此外，研究人员可以用不同的重组子对菌落内的不同细菌进行编程，噬菌体在感染菌落时将获得多重编辑。

“当噬菌体从一个细菌跳到另一个细菌时，它会选择不同的编辑，”希普曼说。“在噬菌体中进行多次编辑以前是非常困难的;所以，大多数时候，科学家根本就不这么做。现在，你基本上把一些噬菌体扔到这些培养物中，等一段时间，就会得到多重编辑的噬菌体。”

噬菌体筛选平台

如果科学家们已经确切地知道他们想要对给定的噬菌体进行哪些编辑以优化其治疗潜力，那么新的平台将使他们能够轻松有效地进行这些编辑。然而，在研究人员能够预测基因变化的后果之前，他们首先需要更好地了解是什么使噬菌体起作用，以及它们的基因组变化如何影响它们的有效性。重组系统也有助于在这方面取得进展。

如果将多个重组子放入细菌菌落中，并且只允许噬菌体在短时间内感染菌落，则不同的噬菌体将获得不同的编辑组合。这样不同种类的噬菌体就可以进行比较。

希普曼实验室的研究生、这项新研究的第一作者之一凯特·克劳福德说:“如果科学家们想研究这些基因如何相互作用，或者引入修饰，使噬菌体成为更有效的细菌杀手，他们现在有了一种同时编辑多个基因的方法。”

希普曼的团队正致力于增加不同重组子的数量，这些重组子可以放入单个细菌菌落中，然后传递给噬菌体。他们预计，最终，数以百万计的编辑组合可以引入噬菌体，形成巨大的筛选库。

希普曼说:“我们希望规模足够大，有足够多的噬菌体变体，这样我们就可以开始预测哪种噬菌体变体将对抗哪种细菌感染。”