被巨型噬菌體(綠色和藍色)感染的細菌細胞(紅色)。(Pogliano Lab/UCSD)

隨著抗藥性細菌變得越來越難以戰勝,諮詢那些在很久之前就與我們遠古敵人作戰的人是非常有意義的。

被稱為噬菌體的病毒早在我們存在之前,就一直在與細菌發生衝突。 因此,加州大學聖地亞哥分校的研究人員仔細觀察了一些研究較少的巨型噬菌體,特別是「201phi2-1」,它會感染綠葉假單胞菌(Pseudomonas chlororaphis)。

巨型噬菌體因其超過 20萬個鹼基對的大型基因組而命名(大多數感染假單胞菌的噬菌體基因組少於 10萬個鹼基對),巨型噬菌體擁有一系列對抗細菌防禦機制的技術。 先前的研究發現,在其遺傳物質周圍生長一層屏障是策略之一,使這些病毒的生命週期獨一無二。

與 T4 噬菌體病毒相比,巨型噬菌體的冷凍電鏡表示。(Villa Lab/UCSD)

分子生物學家 Thomas Laughlin 及其同事在他們的新論文中寫道,通過將基因組物質與其他細胞內容物分離,「以前被認為在生命歷史上只進化過一次」。 但事實證明,這些小巨人打敗了我們。

生物物理學家 Elizabeth Villa 說:「這是一種不同的隔間——不同於我們在自然界中見過的任何東西。」

通常,噬菌體將其遺傳物質注入細菌中,在細胞的內部黏液(細胞質)中自由漂浮,因為病毒劫持了細菌的設備來複製自己。 但是這些巨型噬菌體在進入宿主後不久就在其 DNA 周圍構建了一個分隔室,這有點像我們的細胞有細胞核來保護我們的 DNA。

這在物理上可以防止細菌的「 CRISPR免疫系統」和其他防禦酶與病毒 DNA 發生衝突。

Laughlin 和他們的團隊使用低溫電子顯微鏡和斷層掃描技術來檢查這個分隔室,直至原子尺度。 保護殼僅由一種蛋白質構成,研究人員將其稱為 chimallin,取自古老的阿茲特克盾牌。

巨噬菌體感染的細菌細胞(左)和藍色(右)輪廓的細胞核樣隔室的顯微照片。(Villa Lab/UCSD)

在計算機建模的幫助下,研究人員發現噬菌體的細胞核有選擇性地允許分子通過微小的孔隙,這又類似於細胞如何控制我們的遺傳物質周圍的環境,使其成為趨同進化的一個顯著例子—–當完全不相關的生物體對相同的生物學問題有類似的解決方案。

真核生物的核孔是一個巨大且復雜的結構,具有非常獨特的方式將大多數蛋白質拒之門外,但又可以專門導入其他蛋白質。生物化學家 Kevin Corbett 解釋說:「我們在巨型噬菌體上看到的可能是一種解決相同問題但明顯簡單的方法。這是一個非常有創意的解決方案,通過建立一堵牆將其與細菌防禦系統分開來,保護其基因組免受外界影響。」

令人難以置信的是,這堵牆還可以隨著噬菌體基因組的複製而生長。研究人員還不太確定噬菌體是如何控制這一點的,但懷疑隔間可能正在裂開,以允許更多的 chimallin 單元加入其中,這些單元在感染時會大量產生。

細胞生物學家 Joe Pogliano 說:「現在我們知道某些噬菌體具有保護層,我們可以將其提供給其他噬菌體,並製造出在噬菌體治療和克服細菌防禦方面更好的超級噬菌體。」

該過程的第一步是了解構成盾牌chimallin蛋白的結構,這也是這項工作如此重要的一個原因。

噬菌體療法已經被用於成功治療超級細菌感染的患者。當我們的微生物組失調時,它也被考慮用於定制。

由於這些討厭的細菌菌株拒絕死亡,預計到 2050 年它們每年將殺死 1000 萬人。因此,我們可以從敵人的敵人那裡得到的任何暗示來更好地保護自己,都不會來得太快。

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參考資料:

  1. Koumoundouros,T., (2022,Aug 8). Giant Viruses Called ‘Jumbo Phages’ Could Help Us Fight Antibiotic Resistance. ScienceAlert
  2. Laughlin, T. G., Deep, A., Prichard, A. M., Seitz, C., Gu, Y., Enustun, E., Suslov, S., Khanna, K., Birkholz, E. A., Armbruster, E., McCammon, J. A., Amaro, R. E., Pogliano, J., Corbett, K. D., & Villa, E. (2022). Architecture and self-assembly of the jumbo bacteriophage nuclear shell.Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022-05013-4  
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/strange-jumbo-phage-biology-may-help-us-to-tackle-antibiotic-resistant-bacterial(圖:Pogliano Lab/UCSD/Villa Lab/UCSD)
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