研究人员解开了噬菌体如何解除致病细菌的古老谜团

细菌感染给农业和医学带来了重大挑战，特别是随着抗生素耐药细菌病例的持续增加。作为回应，德克萨斯农工大学农业生命研究中心的科学家们正在阐明细菌感染病毒如何解除这些病原体的武装，并带来新的治疗方法的可能性。

德克萨斯 A&M 农业与生命科学学院生物化学与生物物理学系教授曾兰英博士和副教授张俊杰博士在《科学》杂志上发表的研究中详细介绍了噬菌体使细菌失效的精确机制。

该团队共同致力于解释自 20 世纪 70 年代初以来科学家们一直试图理解的一系列相互作用。

需要新的治疗方法

铜绿假单胞菌是一种细菌，可引起血液、肺部感染，有时还会引起身体其他部位感染。这些感染在医疗机构中尤其常见，经常会遇到耐药细菌。据美国疾病控制与预防中心的数据，2017年住院患者中出现了超过3万例多重耐药铜绿假单胞菌感染病例。

抗生素耐药性假单胞菌感染的盛行使其成为噬菌体疗法的实际关注点，噬菌体疗法是​​一种使用噬菌体的治疗方法，德克萨斯农工大学噬菌体技术中心的研究人员正在探索将其作为典型药物的替代品。

该中心的联合主任曾和张以及动物科学系副教授 Jason Gill 博士正在通过深入研究噬菌体的结构和机制，探索噬菌体的有用性，甚至超越噬菌体治疗。

瞄准菌毛

铜绿假单胞菌能够在彼此之间传播抗菌素抗性基因，并四处移动并形成难以治疗的生物膜结构的因素之一是一种称为菌毛的附属物，它以拉丁语中的“矛”一词命名。这些圆柱形结构从细菌表面延伸出来。

一些噬菌体利用细菌菌毛附着在细菌菌毛上，让细菌将噬菌体卷到表面，噬菌体可以开始感染细菌。

在由德克萨斯农工大学研究生 Jirapat Thongchol 和 Zihao Yu 共同撰写的研究中，研究人员利用荧光显微镜、低温电子显微镜和计算模型逐步研究了这一过程。他们观察了一种名为 PP7 的噬菌体如何通过附着在菌毛上来感染铜绿假单胞菌，然后菌毛将噬菌体缩回并将其拉至细胞表面。

在病毒进入点时，菌毛弯曲并折断，菌毛的损失使得铜绿假单胞菌感染自身宿主的能力大大降低。

正在进行的研究

这项工作是 2020 年发表的先前研究的延续，当时 Zeng 的团队发现了一种噬菌体，它可以类似地破坏大肠杆菌细胞的菌毛，从而防止细菌彼此共享基因——这是抗生素耐药性传播的常见方式。

对假单胞菌的研究是该团队最近一系列研究的一部分。 2024 年 3 月，他们在《自然通讯》上发表了关于另一类细菌不动杆菌与感染该细菌的噬菌体之间相互作用的研究结果。另一项研究预计将于 2024 年 5 月发表，将涵盖第三种细菌和其他噬菌体。

AgriLife Research 的新型冷冻电子显微镜使该团队在确定精确蛋白质结构和分子相互作用方面取得了进展，该显微镜于 2022 年底在德克萨斯农工大学投入使用，可以解析原子水平的结构。

“在我们早期对大肠杆菌的研究中，我们并没有真正探索其机制，”曾说。 “在我们对假单胞菌的研究中，我们能够更多地解释到底发生了什么，包括菌毛分离的力量和速度，并了解这种情况发生的原因和方式。”

在医学上的用途

这项正在进行的研究可能对治疗抗菌感染具有重要意义。张说，医生不需要像噬菌体疗法那样使用噬菌体来杀死细菌，而可以简单地让病毒解除细菌的武装，这可能会让免疫系统有机会自行对抗感染或允许医生用较低剂量的抗生素治疗患者。

“如果你简单地杀死细菌，就会破坏细胞，它们就会从细胞内部释放有毒物质到宿主体内，”张说。 “我们的方法是使用一种特殊类型的噬菌体来解除细菌的武装。我们通过折断这个附属物来消除它们交换耐药基因或四处移动的能力。”

噬菌体科学家团队表示，他们将继续寻找类似的噬菌体抑制病原菌毒力的实例。

“我们正在采取协同方法，”张说。 “我们正在尝试了解这种噬菌体的通用机制，以及它们如何影响其他类型的细菌。这就是我们合作努力的总体目标：尝试解决多重耐药细菌的问题。 ”