摘要：一個全新的抗生素世界正等待著感染細菌的病毒。科學家們正在使研究它們變得更容易。
隨著傳統抗生素對不斷進化的病原體不斷失去效力，科學家們熱衷于使用噬菌體(感染細菌的病毒)完善的殺菌技術。
他們面臨的一個主要挑戰是難以研究單個噬菌體蛋白，并精確確定病毒如何利用這些工具殺死宿主細菌。勞倫斯伯克利國家實驗室的新研究可能有助于加快這一進程。
伯克利實驗室生物科學領域的Vivek Mutalik說“我們開發了一種高通量基因篩查方法，可以識別一種稱為‘單基因裂解蛋白（single-gene lysis proteins）’的強效噬菌體武器靶向的細菌細胞的部分，隨著抗生素耐藥性的上升，我們迫切需要抗生素替代品。我們所知道的一些最小的噬菌體編碼單基因裂解蛋白(Sgls)，也被稱為‘蛋白質抗生素（protein antibiotics）’，用于抑制細菌細胞壁生產的關鍵成分，當這些成分被破壞時，會持續殺死細胞。”
圖1 開發了一種高通量基因篩查方法識別單基因裂解蛋白（single-gene lysis proteins）
每一種已知的細菌都至少有一種噬菌體，它們被認為是地球上數量最多的生物實體。事實上，目前地球上估計有1031個噬菌體粒子，相當于每一粒沙子有一萬億個噬菌體。這些噬菌體中的每一個都與它們所選擇的宿主菌株一起進化，使它們能夠利用改進的生物武器對抗細菌抗性性狀。
這種巨大的豐富性、特異性和有效性意味著有很多東西可以研究，理論上我們應該能夠使用噬菌體來控制任何有害微生物。噬菌體對非細菌細胞也無害，這是它們作為藥物和生物防治工具如此有吸引力的另一個原因。
但當試圖將單個噬菌體從環境中分離出來，并確定它針對哪種微生物以及如何靶向時，問題就出現了。科學家們通常無法僅根據基因組序列來評估噬菌體與細菌的戰斗，也無法對它們進行實際研究，因為許多細菌無法在實驗室中培養——即使可以，也存在一個內在的矛盾，即需要提前知道培養哪些細菌，以便研究感染和殺死它們的噬菌體。
為了避開這些障礙并識別Sgls的細胞靶標，Mutalik和他的同事使用了該團隊之前發明的一種稱為雙條形碼散彈槍表達庫測序(Dub-seq，生物通注)的技術。Dub-seq允許科學家使用編碼的DNA片段庫來研究未知基因的功能，并且可以應用于包含許多生物DNA的復雜環境樣本——不需要培養。
圖2 全基因組篩選用于鑒定噬菌體編碼單基因裂解系統的宿主抑制因子
在這項研究中，作者使用了來自6種噬菌體的6種Sgls來感染不同的細菌，并確定了每種Sgl攻擊的細菌細胞壁的部分或支持分子。他們與德克薩斯A& M大學的科學家合作，對一種Sgl的功能進行了詳細的描述。
這項工作表明，Sgl蛋白靶向的細胞壁構建途徑在細菌進化史的早期就出現了，并且仍然被幾乎所有的細菌(包括致病菌)使用。由于Sgl蛋白攻擊這些基本和普遍存在的目標，它們可以殺死噬菌體目標菌株以外的細菌，這證實了它們作為抗生素的巨大潛力。
“在摧毀細菌方面，噬菌體是非凡的創新者。我們真的很高興能發現新的細菌病原體靶向機制，可以用于治療，”文章一作Benjamin Adler說，他是加州大學伯克利分校Jennifer Doudna實驗室的博士后。
現在，該團隊已經評估了Dub-seq方法來解決這個問題，他們可以將其應用于數千個單基因裂解產生噬菌體的環境樣本中，該團隊從海洋、土壤，甚至人類腸道中收集到的樣本。下一個突破性醫學的靈感可能就在那里，等待著。
參考資料：
[1] Benjamin A. Adler, Karthik Chamakura, Heloise Carion, Jonathan Krog, Adam M. Deutschbauer, Ry Young, Vivek K. Mutalik, Adam P. Arkin. Multicopy suppressor screens reveal convergent evolution of single-gene lysis proteins. Nature Chemical Biology, 2023; DOI: 10.1038/s41589-023-01269-7
摘要：一個全新的抗生素世界正等待著感染細菌的病毒。科學家們正在使研究它們變得更容易。
隨著傳統抗生素對不斷進化的病原體不斷失去效力，科學家們熱衷于使用噬菌體(感染細菌的病毒)完善的殺菌技術。
他們面臨的一個主要挑戰是難以研究單個噬菌體蛋白，并精確確定病毒如何利用這些工具殺死宿主細菌。勞倫斯伯克利國家實驗室的新研究可能有助于加快這一進程。
伯克利實驗室生物科學領域的Vivek Mutalik說“我們開發了一種高通量基因篩查方法，可以識別一種稱為‘單基因裂解蛋白（single-gene lysis proteins）’的強效噬菌體武器靶向的細菌細胞的部分，隨著抗生素耐藥性的上升，我們迫切需要抗生素替代品。我們所知道的一些最小的噬菌體編碼單基因裂解蛋白(Sgls)，也被稱為‘蛋白質抗生素（protein antibiotics）’，用于抑制細菌細胞壁生產的關鍵成分，當這些成分被破壞時，會持續殺死細胞。”
圖1 開發了一種高通量基因篩查方法識別單基因裂解蛋白（single-gene lysis proteins）
每一種已知的細菌都至少有一種噬菌體，它們被認為是地球上數量最多的生物實體。事實上，目前地球上估計有1031個噬菌體粒子，相當于每一粒沙子有一萬億個噬菌體。這些噬菌體中的每一個都與它們所選擇的宿主菌株一起進化，使它們能夠利用改進的生物武器對抗細菌抗性性狀。
這種巨大的豐富性、特異性和有效性意味著有很多東西可以研究，理論上我們應該能夠使用噬菌體來控制任何有害微生物。噬菌體對非細菌細胞也無害，這是它們作為藥物和生物防治工具如此有吸引力的另一個原因。
但當試圖將單個噬菌體從環境中分離出來，并確定它針對哪種微生物以及如何靶向時，問題就出現了。科學家們通常無法僅根據基因組序列來評估噬菌體與細菌的戰斗，也無法對它們進行實際研究，因為許多細菌無法在實驗室中培養——即使可以，也存在一個內在的矛盾，即需要提前知道培養哪些細菌，以便研究感染和殺死它們的噬菌體。
為了避開這些障礙并識別Sgls的細胞靶標，Mutalik和他的同事使用了該團隊之前發明的一種稱為雙條形碼散彈槍表達庫測序(Dub-seq，生物通注)的技術。Dub-seq允許科學家使用編碼的DNA片段庫來研究未知基因的功能，并且可以應用于包含許多生物DNA的復雜環境樣本——不需要培養。
圖2 全基因組篩選用于鑒定噬菌體編碼單基因裂解系統的宿主抑制因子
在這項研究中，作者使用了來自6種噬菌體的6種Sgls來感染不同的細菌，并確定了每種Sgl攻擊的細菌細胞壁的部分或支持分子。他們與德克薩斯A& M大學的科學家合作，對一種Sgl的功能進行了詳細的描述。
這項工作表明，Sgl蛋白靶向的細胞壁構建途徑在細菌進化史的早期就出現了，并且仍然被幾乎所有的細菌(包括致病菌)使用。由于Sgl蛋白攻擊這些基本和普遍存在的目標，它們可以殺死噬菌體目標菌株以外的細菌，這證實了它們作為抗生素的巨大潛力。
“在摧毀細菌方面，噬菌體是非凡的創新者。我們真的很高興能發現新的細菌病原體靶向機制，可以用于治療，”文章一作Benjamin Adler說，他是加州大學伯克利分校Jennifer Doudna實驗室的博士后。
現在，該團隊已經評估了Dub-seq方法來解決這個問題，他們可以將其應用于數千個單基因裂解產生噬菌體的環境樣本中，該團隊從海洋、土壤，甚至人類腸道中收集到的樣本。下一個突破性醫學的靈感可能就在那里，等待著。
參考資料：
[1] Benjamin A. Adler, Karthik Chamakura, Heloise Carion, Jonathan Krog, Adam M. Deutschbauer, Ry Young, Vivek K. Mutalik, Adam P. Arkin. Multicopy suppressor screens reveal convergent evolution of single-gene lysis proteins. Nature Chemical Biology, 2023; DOI: 10.1038/s41589-023-01269-7
