噬菌体揭示了对感染至关重要的辅助基因

感染细菌的病毒——被称为噬菌体——可以有针对性地用于对抗细菌性疾病。它们在全球生物地球化学循环中也起着重要的生态作用。凯泽斯劳滕-朗道大学（RPTU）的研究人员最近在水生噬菌体中发现了一种以前未知的辅助代谢基因（auxiliary metabolic gene），从而大大扩展了以前对这些细菌捕食者的理解。

噬菌体是专门攻击细菌的病毒。许多科学家的目标是更多地了解这些微小的复制单位，它们的尺寸在20到300纳米之间（一根头发有80000纳米厚）。RPTU的Nicole Frankenberg-Dinkel教授说：“如果我们了解噬菌体最终如何感染和杀死细菌的细节，那么将来我们可能能够专门使用它们来对抗有害细菌。”

微生物学小组正在研究噬菌体用来将细菌变成“工厂”进行复制的各种策略，即生产数百个新的噬菌体。“我们对水生栖息地特别感兴趣，特别是海洋和湖泊，因为噬菌体数量很多，它们在营养循环中起着重要的生态作用。”噬菌体研究领域的长期目标不仅是应用噬菌体疗法来对抗导致疾病的“坏”细菌，而且——坚持水生栖息地——解决噬菌体在全球营养循环中的生态作用。噬菌体通过控制细菌种群、维持微生物多样性和通过病毒分流等过程影响营养循环，在水生环境中发挥着至关重要的生态作用。它们还通过促进水平基因转移——从一个生物体传递到另一个生物体，而不是像通常的情况那样，一代一代地传递——以及对细菌施加选择压力来推动微生物进化。

在最近的一项研究中，Frankenberg-Dinkel的团队与来自以色列、荷兰、宾根和斯特林/波茨坦的研究人员合作，利用生物信息学分析了来自环境样本的噬菌体遗传物质。“通常情况下，这种遗传物质主要包含产生新的噬菌体颗粒的蓝图信息。然后噬菌体把细菌当作工厂。”然而，研究人员还在噬菌体遗传物质中发现了所谓的“辅助代谢基因”。这些辅助基因最初来自细菌，曾经被噬菌体劫持。它们不是组装新的噬菌体颗粒所必需的，而是在噬菌体感染期间对宿主（即细菌）进行“重新编程”。            

“在我们的研究中，我们在噬菌体中发现了一种以前未知的辅助代谢基因，”Frankenberg-Dinkel在解释她的最新结果时说。“我们能够证明这种基因编码一种活性蛋白质，这种蛋白质对‘生命色素’的生物合成很重要。”四吡咯（Tetrapyrroles）被称为生命的颜料。这些化合物中最重要的代表是血红素，血红素是血液中用于氧气运输的血红蛋白的一种成分，叶绿素是光合作用必需的绿叶色素。Nicole Frankenberg-Dinkel：“我们的研究结果表明，四吡咯在噬菌体感染过程中发挥着重要作用。它们似乎非常重要，噬菌体携带这种额外的遗传物质，因为这在某种程度上对它们有益。四吡咯对噬菌体感染的重要性以前没有被认识到这种程度。四吡咯对细胞中的能量产生至关重要，”Frankenberg-Dinkel进一步解释道。“我们怀疑，当细菌必须产生噬菌体颗粒时，能量需求会增加。因此，可能需要更多的四吡咯。”

研究人员能够证明，辅助代谢基因存在于盐和淡水中发现的噬菌体中。

根据Frankenberg-Dinkel的说法，目前的研究结果揭示了另一个有趣的发现：有两种方法可以产生四吡唑的第一个前体，其中一种是所谓的Shemin途径。研究人员在噬菌体中发现的正是这种途径——或者说是它所需的基因组成。“Shemin通路只存在于一组细菌中，其他只存在于鸟类和哺乳动物中。这意味着噬菌体必须从一组特定的细菌中获得这种基因。也许是因为Shemin途径比C5途径更有效，因为它只需要一种酶而不是两种。”噬菌体生物学是一个新兴的研究领域。“在这个项目中，我们正在与微生物病毒领域的许多其他研究人员合作，”教授解释说。噬菌体生物学的一些发现，如获得诺贝尔奖的CRISPR/Cas系统，已经进展到可以应用的地步。