先进的研究表明，当噬菌体在细胞水平上感染细菌时，它们可以阻碍彼此的进入，这突出了细菌感染的复杂动力学及其对生物技术研究的潜在影响。
最近对噬菌体(细菌感染病毒)的研究表明，在感染过程中，噬菌体的数量和相互作用会影响它们进入宿主细胞，受细胞电生理的影响。这一发现为理解噬菌体行为及其对生物技术的影响开辟了新的途径。
50多年来，研究人员一直在研究噬菌体——在细菌中感染和复制的病毒——进入细胞的过程。在一项新的研究中，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和德克萨斯农工大学的科学家们采用尖端技术在单细胞水平上研究了这一过程。
物理学教授Ido Golding (CaiM/IGOH)说:“在过去的十年里，噬菌体生物学领域出现了爆炸式的发展，因为越来越多的研究人员意识到噬菌体在生态学、进化和生物技术中的重要性。”“这项工作是独一无二的，因为我们在单个细菌细胞的水平上研究了噬菌体感染。”
了解噬菌体感染
噬菌体感染的过程包括病毒附着在细菌表面。接着，病毒将其遗传物质注入细胞。噬菌体进入细胞后，要么迫使细胞产生更多的噬菌体并最终爆炸，这一过程被称为细胞裂解，要么噬菌体将其基因组整合到细菌基因组中并保持休眠，这一过程被称为溶原性。结果取决于有多少噬菌体同时感染细胞。单个噬菌体引起溶解，而多个噬菌体的感染导致溶原。
第一作者Thu Vu Phuc Nguyen(左)和Ido Golding研究了相互感染的噬菌体如何阻碍彼此进入细胞。来源:弗雷德·兹威基
在目前的研究中，研究人员想知道，与细菌表面结合的感染噬菌体的数量是否与注射到细胞中的病毒遗传物质的数量相对应。为了做到这一点，他们荧光标记了噬菌体的蛋白质外壳和里面的遗传物质。然后，他们培养大肠杆菌，使用不同浓度的感染噬菌体，并追踪有多少噬菌体能够将自己的遗传物质注入大肠杆菌。
“自70年代以来，我们已经知道，当多个噬菌体感染同一个细胞时，它会影响感染的结果。在这篇论文中，我们能够进行精确的测量，这与迄今为止所做的任何研究都不一样，”戈尔丁说。
噬菌体进入的挑战
研究人员惊讶地发现，噬菌体遗传物质的进入可能会受到其他感染噬菌体的阻碍。他们发现，当有更多的噬菌体附着在细胞表面时，相对较少的噬菌体能够进入细胞。
戈尔丁说:“我们的数据显示，感染的第一阶段，噬菌体进入，是一个重要的步骤，以前被低估了。”“我们发现，相互感染的噬菌体通过扰乱细胞的电生理来阻碍彼此的进入。”
细菌的最外层不断地处理电子和离子的运动，这些电子和离子对能量的产生和细胞内外的信号传递至关重要。在过去的十年中，研究人员已经开始意识到这种电生理在其他细菌现象中的重要性，包括抗生素耐药性。这为细菌电生理在噬菌体生物学中的作用开辟了一条新的研究途径。
“通过影响实际进入的噬菌体的数量，这些扰动影响了裂解和溶原之间的选择。我们的研究还表明，进入会受到环境条件的影响，比如各种离子的浓度，”戈尔丁说。
该团队有兴趣改进他们的技术，以更好地了解噬菌体进入的分子基础。
戈尔丁说:“尽管我们的技术分辨率很高，但在分子水平上发生的事情对我们来说仍然是不可见的。”“我们正在考虑在卡尔·r·伍斯基因组生物学研究所使用Minflux系统。计划是检验同样的过程，但采用更好的实验方法。我们希望这能帮助我们发现新的生物学。”
参考文献:“相互感染的噬菌体阻碍彼此进入细胞”，作者:Thu Vu Phuc Nguyen, Yuchen Wu, Tianyou Yao, Jimmy T. Trinh, Lanying Zeng, Yann R. Chemla和Ido Golding, 2024年6月14日，Current Biology。DOI: 10.1016 / j.cub.2024.05.032
这项工作得到了美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会和阿尔弗雷德·p·斯隆基金会的支持。
