數十億年來，細菌一直在與病毒進行無休止的鬥爭。科學家們現在表示，通過發展各種生存策略，這些長期存在的微生物防禦系統可以激發新的抗病毒工具。對於人類來說，賓夕法尼亞州立大學化學工程教授托馬斯·伍德和他的團隊發現了一種長期被忽視的細菌機制，可以防止病毒感染。
研究人員研究了含有非常古老且不活躍的病毒的細菌。而且發現這些隱藏的入侵者依然起到了保護作用。他們的研究結果發表在 核酸研究有人建議，這種保護系統最終可以幫助設計更強大的抗病毒方法，用於醫藥和食品安全。
“在過去的幾年裡，有許多與細菌抗病毒防禦系統相關的發現，”項目負責人伍德說。最有可能的替代者是病毒本身。在使用病毒代替抗生素來治療人類感染之前，我們需要了解細菌如何保護自己免受病毒攻擊。 ”
休眠病毒如何幫助細菌反擊？
Wood 表示，科學家們早就知道，被稱為秘密原噬菌體的古老、不活躍的病毒可以將其遺傳物質插入細菌 DNA 中。這些基因片段使細菌能夠使用特殊的酶和蛋白質來防止稱為噬菌體的新病毒感染細胞。
在這項新研究中，賓夕法尼亞州立大學研究小組發現，一種名為重組酶（一種切割並重新連接 DNA 鏈的酶）的蛋白質可以修改細菌 DNA 以應對病毒威脅。但前提是預測已經嵌入基因組中。這種重組酶起到防禦作用，當細胞檢測到危險時會迅速做出反應。
該系統中識別的特定重組酶稱為 PinQ。當病毒接近細菌細胞時，PinQ 會觸發 DNA 反轉，翻轉染色體內的遺傳密碼部分。這種變化導致兩種由原噬菌體 DNA 組成的“嵌合蛋白”結合在一起，這些被稱為 Stf 的蛋白一起阻止病毒附著在細菌表面並註入其遺傳物質。
“令人驚奇的是，這個過程產生了新的嵌合蛋白，尤其是來自反向 DNA 的蛋白。大多數情況下，當你改變 DNA 時，你只會得到導致失活蛋白的基因突變，”Wood 說。 “這些倒置和修改清楚地證明，這是一個經過數百萬年進化的精細調節的抗病毒系統。”
對抗生素耐藥性和病毒研究的影響
伍德解釋說，抗生素耐藥性感染的威脅日益嚴重，部分原因是過度使用抗生素。病毒可以提供更安全的替代方案。這是因為它們以特定的細菌菌株為目標，而不傷害其他菌株，並與宿主一起進化。了解這種天然的細菌防禦可以幫助研究人員利用它來開發更精確的治療方法並減少對抗生素的依賴。
儘管此前在細菌防禦區附近檢測到了重組酶，但這是首次研究表明這些酶直接參與防禦病毒。
“並不是研究人員錯過了這些酶。而是他們看到了它們，並將它們視為病毒基因的標記，”伍德說。細菌必須有許多不同的防禦系統。這只是其中一個系統的一個例子。 ”
測試古代防禦系統
為了探索這種機制如何發揮作用，研究小組增加了 Stf 蛋白的產量 大腸桿菌 將細菌和病毒引入樣品中。將混合物放置過夜後，他們測量濁度，以查看病毒是否已成功感染細菌。溶液越渾濁，病毒就越不活躍。
他們還使用計算機模型來模擬病毒如何附著在細菌表面。這是一個稱為吸附的過程。通過與實驗室結果進行比較來確認模擬的準確性。
“當我們產生過多的蛋白質時，“我們最初阻止了病毒附著在細胞表面，”伍德說。病毒會改變它們所連接的蛋白質。如何識別並粘附細菌，並可以從這種保護中獲益。”
為食品和健康帶來更廣泛的好處
伍德說，這項研究提高了團隊對抗病毒系統如何工作的理解，這可以幫助他們培養用於發酵奶酪和酸奶等食物的細菌。更有效地並改進醫療機構中細菌感染的管理方法。展望未來，伍德表示，該團隊計劃繼續研究目前在其實驗室中的預言機的八種其他防病毒應用。
“這是一個關於化石如何保護其宿主免受外來者侵害的故事。我們還有其他 10 個與化石相關的故事，它們可以提供自己的保護，正在等待測試，”伍德說。 “更好地了解這些病毒如何與細菌相互作用，這將使我們深入了解如何在生物工程中有效、安全地控制細菌。”
其他合著者包括喬伊·基里戈（Joy Kirigo），他最近獲得了賓夕法尼亞州立大學化學工程博士學位；丹尼爾·韋爾加斯-門德斯。墨西哥國立自治大學 (UNAM) 化學工程博士生，在賓夕法尼亞州立大學進行研究；魯道夫·加西亞-孔特雷拉斯；墨西哥國立自治大學微生物學教授兼 Huelgas-Méndez 顧問； María Tomás，拉科魯尼亞大學醫院基因組診斷科協調員；和德克薩斯農工大學生物學董事教授邁克爾·J·貝內迪克 (Michael J Benedik)。
這項研究得到了生物技術基金會的支持。墨西哥國立自治大學和科學、人文、技術和創新秘書處。
