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在噬菌体工程研究中，为解决确定有效突变及在噬菌体基因组中合理引入突变的难题，研究人员开展了利用 Meta - SIFT 方法挖掘宏基因组基序以工程化改造噬菌体活性的研究。结果发现大量 T7 噬菌体变体有新宿主特异性，还成功改造出针对食源性病原体大肠杆菌 O121 的活性 T7 变体，该研究为噬菌体工程提供了有力工具。
噬菌体，作为一类能够特异性侵染细菌的病毒，在微生物领域一直备受关注。它们不仅是研究细菌与病毒相互作用的理想模型，还在抗菌治疗、微生物群落调控等方面展现出巨大的应用潜力。然而，目前噬菌体研究面临着诸多挑战。在噬菌体基因组工程中，确定哪些突变能够有效提升噬菌体对特定细菌菌株的活性，以及如何在庞大的噬菌体基因组序列空间中找到合适的位置引入这些突变，成为了亟待解决的关键问题。
为了攻克这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于挖掘宏基因组中的序列基序，以此来工程化改造噬菌体的活性，相关研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先是深突变扫描（DMS）技术，通过对 T7 噬菌体受体结合蛋白（RBP）的 DMS 数据进行分析，计算每个可能的氨基酸替代的功能得分，为后续筛选基序提供依据。其次，利用隐马尔可夫模型（HMM）从宏基因组数据库中筛选与噬菌体 RBP 相关的结构蛋白，以挖掘潜在的序列基序。此外，借助优化重组、积累和文库表达（ORACLE）技术，构建并表达包含宏基因组基序的噬菌体文库，用于后续的筛选实验 。
研究结果主要体现在以下几个方面：
- Meta - SIFT 识别宏基因组噬菌体序列中的多样基序：Meta - SIFT 利用 DMS 数据计算每个可能替代的 “种子分数”，对宏基因组数据库进行搜索。研究人员从 NCBI 和 IMG/VR 数据库中筛选出大量 6mer 和 10mer 的候选基序，这些基序与野生型序列差异显著，且来源于不同的噬菌体家族。通过对筛选过程的验证，表明 Meta - SIFT 能够有效识别与受体识别相关的基序。
- Meta - SIFT 基序指导噬菌体在细菌宿主中的活性：研究人员合成了包含这些基序的 T7 噬菌体变体库，并在 20 种大肠杆菌宿主或条件下进行筛选。结果显示，24.5% 的变体表现出活性，且活性变体分布在 RBP 的多个区域。研究还发现，BC - C 区域对突变的耐受性较高，不同宿主对基序的位置和组成偏好不同，这些偏好影响着噬菌体的活性和宿主范围。
- 层次聚类揭示基序选择模式：通过对噬菌体文库在不同细菌宿主上的活性进行层次聚类分析，发现噬菌体的宿主特异性与基序的位置和组成密切相关。不同的基序组合导致噬菌体在不同宿主上表现出不同的活性模式，这为深入理解噬菌体 - 宿主相互作用提供了重要线索。
- Meta - SIFT 识别对食源性病原体大肠杆菌 O121 具有高活性的基序：大肠杆菌 O121 是一种常见的食源性病原体，野生型 T7 噬菌体对其活性受盐浓度影响，在高盐条件下无活性。利用 Meta - SIFT，研究人员筛选出在高盐条件下对大肠杆菌 O121 具有活性的噬菌体变体，这些变体在不同盐浓度下呈现出不同的替代模式，且实验验证了这些变体能够在高盐条件下有效侵染大肠杆菌 O121。
在研究结论与讨论部分，研究人员指出，Meta - SIFT 是一种强大的工具，能够挖掘宏基因组数据库中的基序，为噬菌体工程提供关键支持。通过该方法，研究人员成功改造了 T7 噬菌体，使其对大肠杆菌 O121 具有高效活性，这对于开发针对食源性病原体的噬菌体治疗策略具有重要意义。此外，研究还发现基序的位置和组成是影响噬菌体活性和宿主特异性的关键因素，这为进一步优化噬菌体工程提供了理论依据。虽然目前 Meta - SIFT 的应用受到 DMS 数据可用性的限制，但随着高通量噬菌体研究技术的不断发展，该方法有望在更多噬菌体研究中发挥重要作用。
综上所述，这项研究不仅为噬菌体工程提供了新的方法和思路，还加深了人们对噬菌体 - 宿主相互作用的理解，为未来噬菌体在抗菌治疗、食品卫生等领域的应用奠定了坚实基础。
