噬菌體: 開啟生物宇宙暗物質研究大門
什麼生物比細菌更小？
什麼生物能將細菌從內部瓦解？
對，就是這一類病毒——噬菌體！
看清楚了嗎？噬菌體就是一類專門寄生在細菌體內的一類病毒，他是如何侵染病毒的呢？噬菌體在發現遺傳物質過程中可是立下了汗馬功勞，在科研過程中還有很多很多用途。
噬菌體：中國的那些事兒一節生薑
這兩天微信群、朋友圈被來自「英國那些事兒」公號的一篇文章刷屏了。這文章名字有點長：《丈夫金字塔感染超級細菌，試遍所有抗生素無效。絕望中，她重拾起了人類對抗細菌的古老武器...》。
這雖然是來自「英國那些事兒」，說的其實是美國的事兒。其實要說的事標題基本都說清楚了，除了這古老武器的名字：噬菌體。
這文章不是標題黨，其實寫得不錯，值得一看。說的事也是真事，美國的媒體上有報道。
當然這美國媒體人的知識需要校正一下，原文里說病毒（virus）救了這個美國人一命，但噬菌體就是噬菌體，不是病毒，你可以說它對細菌來說簡直就是病毒，但是它真的跟病毒不一樣。
不過，這些都不是我想說的重點。
我想說的重點就是：其實在～60年前也有人用噬菌體救了一個病人的命，而那事是發生在中國的事兒。
如圖所說，1958年，一個燒傷病人面臨嚴重的綠膿桿菌感染，各種抗生素都無效，病人有截肢甚至敗血症死亡的危險。當時的細菌專家余賀教授就是用了噬菌體來救的人。
余賀教授後來成為上海市免疫學研究所的首任所長。在那個美國發生的事里，病人有個好老婆，是美國加州大學聖迭戈分校全球健康研究所的所長兼傳染病流行病專家。在那個中國的事兒里，工人丘財康跟余賀教授沒有任何親戚關係。
那個工人後來活到86歲，當時新聞上報道說「黨救活了他」，其實就是當時那個時代的標題黨，其實大家心裡都雪亮地明白黨就是一個正能量的代表，具體這事里就是余賀教授以及其他的醫護人員。
60年就是一花甲，說這事的重點並非是要說在噬菌體的技術上中國領先美國60年，當年余賀教授也是查了國外的資料才琢磨出用噬菌體來治療的。
站在科學的肩膀上，你就是一個巨人。
（一節生薑 2017-05-15）
噬菌體：一個世紀的歷史回顧
李升偉/編譯
作為感染細菌細胞的小型病毒，噬菌體首次發現於1915年，百年以後的今天，這些噬菌體對基礎生物學、生物技術和人類健康的科研貢獻仍然行之有效、沒有減退，它們的百年華誕值得我們慶賀。
本文作者弗瑞斯特·羅韋爾（Forest Rohwer）、安卡·M·西格爾（Anca M. Segall），現供職於美國加州聖地亞哥州立大學生物學系病毒信息研究所。
1915年，細菌學家弗雷德里克·圖爾特（Frederick Twort）發表了第一篇描述噬菌體類病毒的論文，它們可以感染細菌，在細菌體內繁殖自己並殺死細菌細胞。從那以後，對這些病毒的研究，給生物學帶來了巨大的變化，人們把這些病毒命名為噬菌體。噬菌體為20世紀的分子生物學革命提供了實驗體系和工具，它們的快速發展已經使生態學和進化的基礎原理得到了檢測。現在，我們知道了噬菌體是世界上最成功的生物學實體，它比任何其他生命形式都更加豐裕和具有遺傳多樣性。儘管它們的重要性是顯而易見的，但是這些迷人的實體的研究仍然還是一種小而全的科學行為。在此，我們簡要地回顧噬菌體研究的歷史，希望給新一代的噬菌體科學家們帶來鼓舞和激勵。
在20世紀早期，大多數噬菌體科學家都對使用病毒作為抗細菌生物感興趣。這是一個不受控制的科學試驗時代，人們被注射以噬菌體，病毒被向水井中傾倒，都是為了希望殺死病原體性細菌、比如導致霍亂的細菌。正是1928年亞歷山大·弗萊明發現抗生素，使這樣的研究路線得到了戲劇性的減少。但是今天，由於抗生素抗性成為人們不得不關注的事實，「噬菌體療法」的概念重新受到了人們的關注。
其後，噬菌體科學的發展進入了定量王國，一個研究網路，由生物學家、生物化學家和物理學家組成並命名為「噬菌體群」，使用這些病毒作為模型，進行生命是如何工作的前沿研究。1952年，阿爾弗雷德·赫爾希（Alfred Hershey）和瑪莎·蔡斯（Martha Chase）進行了一項著名的實驗，用一台高速離心機將放射標記的噬菌體從細菌細胞中去掉，幫助科學家們認識到DNA是遺傳物質，這項實驗後來獲得了諾貝爾獎。通過實驗發現了許多噬菌體編碼的DNA操作酶，比如DNA和RNA聚合酶、連接酶、核酸內切酶和核酸外切酶，接連不斷地催生了分子生物學新認識、發展了生物技術產業。現在，世界各地每天都在使用著噬菌體蛋白質。限制性酶類保護著細菌免受噬菌體感染，為分子生物學家們提供了另一種不可缺少的工具。這種趨勢持續到了今天，正如人們所見，研究細菌如何防禦噬菌體，使得科學家發現了CRISPR-Cas系統，隨之才有基因組編輯革命的到來。
隨著遺傳學密碼在20世紀中期得到了解析，對一個完整的基因組進行測序成為了首要的研究目標。噬菌體成為了吸引人們眼球的目標，因為它們的基因組非常微小、還可以產生大量的DNA用於測序。弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger和同事們於1977年完成了對ΦX174噬菌體的整個基因組的測序，其測序技術在後來幾十年中的細胞基因組測序中得到了沿用。隨著更多其他噬菌體基因組的測序完成，人們發現噬菌體可以在個體之間交換基因和大片斷的DNA，這種水平基因轉移的發現改變了我們對於遺傳變異性是如何產生的認識。海洋噬菌體群落是第一種被「鳥槍測序」的生物體，它催生了元基因組學（又稱宏基因組學）的產生，也就是對微生物群落中所有成員進行大規模測序（並進行比較分析研究）。
認識噬菌體已經幫助我們建立了對宿主細胞和疾病的基礎認識。噬菌體整合入細菌基因組後，它們可以戲劇性地改變它們的細菌宿主的特徵，這些宿主中最為致命的細菌性病原體，比如霍亂弧菌、志賀菌和沙門菌等，許多就是通過這種機制來獲得毒性因子的。分析噬菌體複製的生物學還揭示了噬菌體生命周期所需要的幾種關鍵宿主編碼因子，比如DNA旋轉酶和「分子伴娘」蛋白質複合體GroEL和GroES。
1971年，美國總統理查德·尼克松公開宣布「對癌症作戰」，噬菌體生物學家們被招募，活躍地參與了這場人體生物學研究之中。基於認識到噬菌體編碼了一些蛋白質，類似於宿主的蛋白質，這些科學家們在人類基因組中尋找與其它病毒內基因相似的基因。他們不僅發現了這些基因，還建立了「原癌基因」的概念，它們存在於人體基因組中，當其突變時，是癌症的主要病因。
另外一些噬菌體研究人員進入了DNA誘變、修復和重組的領域，建立了今天我們對癌症認識的基礎。例如，科學家們認識到預先存在的突變可以使得細胞個體具有在不同環境條件下的生長優勢，從而引發這樣的理念：癌症細胞荷載有數十種預先存在的突變，它們可能與真實的腫瘤相關、也可能不相關。在艾滋病流行以後，噬菌體研究人員們打開了大門，認識到了逆轉錄病毒是如何整合入人類基因組的、什麼樣的宿主蛋白質參與其中。
在經歷了20世紀70年代熱鬧地噬菌體研究之後，噬菌體科學家們轉向了不同的研究舞台、對噬菌體的研究大幅度下降。對於生物學家們的鐵鎚來說，噬菌體無疑是一種強有力的鐵砧，為什麼現在許多研究人員對它們沒有足夠的注意呢？一個原因可能是，正如在任何舊科學學科中頻繁發生的那樣，人們的認識如同文獻一樣，經歷了一種由博返約的過程，噬菌體也是如此。為了有助於應對這種情況，我們提出了一些認識噬菌體的指導原則：
一個關鍵點是噬菌體對生物學多樣性的貢獻。在地球上大概有超過1 031種噬菌體顆粒，每種細菌細胞則有大約10種噬菌體顆粒。在人體中，兩個個體之間主要的遺傳差異是他們胃內的噬菌體。在其他作用中引人注目的是，這些病毒形成了適應性強的免疫系統，其基礎是應用了免疫球蛋白樣蛋白質結構域高度可變的特性，類似於抗體的使用機理（以變應變）。
一個概念是噬菌體攜帶的基因所編碼的蛋白質參與了調節宿主的基礎生理學過程，比如新陳代謝和抗生素抗性。有個迷人的例子發生在海洋藍藻細菌的光合作用中，這些細菌產生的光收集觸角複合體的部件在噬菌體感染後是高度不穩定的、易於腐敗。但是噬菌體攜帶的基因可以編碼受損蛋白質的替代品，使得細菌得以持續產生生物質，而噬菌體如同爆炸般產生大量後代。因此，這些海洋噬菌體通過增加了光合作用的效能和產量，對海洋碳的巨量轉換做出了偉大的貢獻。
一種教訓是任何細菌細胞的小而全的空間結構是由其噬菌體決定的。進化關係緊密相關的細菌之間的主要基因組學差異來源於整合進來的噬菌體（原噬菌體）及其基因組學事件，從插入或缺失到重大重排，有助於保衛細菌免受噬菌體感染。這種從不停止的由其噬菌體施加於細菌的選擇壓力是「紅皇后假說」的最佳特徵性的例子，也就是說，出於生存的需要，捕食動物與被捕食動物必須持續不斷地進化。
展望噬菌體，它的未來會是怎樣的呢？這些種類的病毒相對容易合成，它們的基因組擁有模塊化的特徵，迎合了合成生物學家們的需要、對生物學功能進行工程化研究和實施。值此噬菌體被發現100周年之際，我們希望我們的生物學傢伙伴們，放棄他們的細胞中心習慣，擁抱噬菌體吧！
（來源：世界科學2015-12-24）
噬菌體: 開啟生物宇宙暗物質研究大門
20世紀初，大多數研究者認為DNA是一種「愚蠢的分子」，因為太簡單而對於生命傳輸沒有任何價值。相反地，科學家們更加擁護蛋白質，它們擁有很強的可變性和複雜性，是遺傳的關鍵組成部分。然後到了20世紀50年代初，遺傳學家Alfred Hershey 和 Martha Chase在對噬菌體的研究中，證實DNA是細胞的信息單元。現在著名的Hershey-Chase實驗跟蹤噬菌體DNA進入細胞的轉移過程，以及DNA轉移後衣殼蛋白的變化。實驗表明，病毒DNA對於噬菌體的複製是必需的，這意味著DNA分子對於生物體繁殖具有重要意義。
1953年，James Watson、Francis Crick和Rosalind Franklin通過描述DNA的雙螺旋結構鞏固了Hershey和Chase的結論。又過了一段時間，通過對噬菌體的額外工作明確證實DNA就是生物語言。
病毒不僅僅是通過一團簡單的DNA或RNA來進行遺傳信息的傳輸，研究人員發現越來越多的證據表明病毒可以在多樣性的生態系統中自由地分享它們的基因。這使得病毒具有強大的遺傳變異性，足以挑戰任何生物的生命。然而病毒本身是很難理解的。
自從人類發現病毒存在的130多年以來，噬菌體一直都在科學界和公眾意識處於不被重視的地位。聖迭戈州立大學的 Forest Rohwer和科學作家Merry Youle認為，噬菌體是生物宇宙里的暗物質，噬菌體似乎總能打破生物體自身構成的生命規則。
儘管如此，有一點是明確的，那就是噬菌體對於人類和環境是非常重要的，世界各地的許多實驗室都在試圖找到能夠影響地球生態系統的噬菌體與宿主細胞互作的方式。噬菌體存在於我們的星球的每一個生物群落中，從珊瑚礁到許多動物，它成了地球上最普遍的「有機體」。在我們的生活中，每天的呼吸、吃飯、喝水、洗澡過程中，都會遇到十幾億的噬菌體。噬菌體有力的影響著土壤、植被和海洋中的遺傳變化，調節養分的循環、演變，甚至還能影響全球範圍的氣候變化。
噬菌體將自己完全的融入到了健康的生態系統中，可是卻一直被我們忽略。即使是它的存在能夠解釋一些種間關係，例如蚜蟲和它的共生菌，被證實是一種三方混合體系：噬菌體為它的宿主細菌提供重要的基因，與此同時，也有益於蚜蟲這個宏觀宿主。對於豌豆蚜蟲，病毒基因能夠編碼一種通過其共生菌表達的毒素，可以保護蚜蟲不被寄生蜂侵襲。
對上述類型的種間關係，科學家雖然進行了研究，但是我們仍然不知道到底有多少種類存在。世界範圍內有超過1031種病毒，因此噬菌體很可能是所有生態關係的重要組成部分。瑞士雀巢研究中心的Harald Brüssow在一篇微生物論文中恰當地指出 「高等生物的分子生物學並不是站在巨人的肩膀上，而是站在矮小的噬菌體上。」
Dana Willner是澳大利亞布里斯班昆士蘭大學的研究員，形容噬菌體具有一種「神話精神」——為了生存，不斷地在宿主間轉移，並在這個過程中轉化宿主細菌。沒有死，並不代表就符合嚴格生物意義上的「活著」，病毒轉移的方式，我們才剛剛開始了解。?
捍衛身體的病毒
多年以來，對於病毒的研究一直局限於其在疾病中扮演的角色和功能，因此，它們的名稱也由此產生，如丙型肝炎病毒和煙草花葉病毒。確實，病毒使人生病，研究者普遍旨在研究如何防止病毒病。直到大約100年前，微生物學家Félix d』Herelle分離出了噬菌體，並用它們來治療細菌性痢疾，我們才知道，病毒有時也能有益於我們。他們通過感染致病細菌，干預細胞基質，產生大量的噬菌體，這些病毒宿主釋放的噬菌體可以波及整個菌落，最終摧毀所有的易感致病性細胞。因為噬菌體通常智能感染特定的細菌菌株，因此不同類型的噬菌體才能有效摧毀所有「問題細菌」。而獲得不同類型噬菌體最好的方式就是直接從它們侵染過的細菌中將它們分離。
D"Herelle"s的具體方法是，從自行康復的痢疾患者糞便中分離相應的細菌並進行培養，再通過過濾去除細胞。然後，他將新的痢疾細菌暴露在濾液中，細菌細胞開始死亡。D"Herelle正確地推測出，噬菌體通過了過濾並且不斷繁殖，殺死新的細菌細胞。隨後他使用這種方法成功的治癒了痢疾患者。迄今為止，俄羅斯和歐洲的部分地區，仍然在使用類似的方法開發針對常見的人類病原體的噬菌體療法，而美國則採用這種方法控制食物的細菌污染。
但是D"Herelle也開始懷疑，很多噬菌體可能不都是會殺死它們的宿主的。相反，它們還會整合到宿主基因組中，為宿主的複製提供關鍵的DNA，還有可能賦予宿主新的基因和新的屬性。例如，蚜蟲的共生細菌的噬菌體可以防止寄生蜂的同時，並沒有殺死它的宿主細胞。相反，它改變了細胞，還改變了蚜蟲在捕食者和獵物之間的平衡，保護蚜蟲的生態系統。
儘管如此，這種病毒誘導的轉化也會導致不確定的結果，就像轉盤遊戲。總會有一種可能性，那就是噬菌體可以給予細菌更高的致病性或耐藥性。此外，研究表明，由於噬菌體對環境不可預見的影響方式，使用抗生素，甚至有時食用一些看似無害的醬油都可能會引起噬菌體細菌相互作用的改變。也許100年後，科學家仍既不能確切地描述噬菌體與細菌的相互作用機制，也不能預測它們在野生環境中的相互作用結果——很顯然，噬菌體療法的風險很高。
事實上，這樣的風險早已是美國開發噬菌體療法人用藥的一個主要障礙。而非處方噬菌體雞尾酒，在法國、波蘭和俄羅斯以藥丸、液體、局部用藥以及注射的形式銷售，用於治療皮膚感染到腸道煩惱。目前美國食品和藥物管理局（FDA）不批准運用任何噬菌體療法治療人類疾病，部分是因為噬菌體 - 宿主相互作用的不確定性。
隨著醫療實踐的發展，通過糞便移植可以改善我們的腸道微生物群。但是，這種不確定性變得顯而易見，因為毫無疑問，這些療法將把噬菌體和其共生細菌一同抑制。當前噬菌體雞尾酒市場上另一個值得關注的是，大多數公司出售這種噬菌體混合物時，不提供任何信息。一項俄羅斯噬菌體雞尾酒療法的調查分析發現，它有較高的遺傳變異程度。雖然噬菌體雞尾酒不具備任何已知的致病基因，並在一些小型的人體試驗中似乎是無害的，但研究人員依然告誡說，我們對於噬菌體的基因組知之甚少，很有可能一些隱藏的致病基因尚未確定。
目前，已有一些醫療產品被開發出來，例如可生物降解的膜，能與噬菌體滲透並可以放置在需要清除和防止細菌感染的傷口。此外，研究人員已經能用噬菌體治療小鼠肺部細菌感染。然而，在其他行業中，噬菌體可是一枝獨秀。隨著抗生素的日漸衰竭，在過去的幾十年里，研究人員正在轉向利用噬菌體裂解細菌控制食品業、商業性農業、和獸醫學。在農業方面，利用噬菌體療法配合其它方法使用，對於治療某些植物致病細菌感染非常有效，治療範圍涵蓋許多植物物種，無論水果還是蔬菜，甚至還有煙草。此外，奶製品生產和魚類養殖、獸葯開發等的噬菌體應用方案正在提出或開發中。廢水處理過程中可以有效地利用噬菌體清除細菌的生物膜。
雞和蛋的問題
研究人員認為，安全可控的使用噬菌體病毒需要了解它們與宿主細胞如何互作，但是面對噬菌體固有的基因交換，想要獲取這些詳細信息非常不易。病毒和細菌都在進化過程中不斷完善著自己的「裝備」，修改自己的基因以增強感染能力或逃避被感染——有些東西我們很難控制。「儘管經過幾十年的研究，噬菌體研究依然是一個新興的領域，」 Rohwer表示，「我們仍然無法完全了解自然環境中的噬菌體-宿主系統是如何建立的以及它們與環境之間的相互作用。」
儘管自身缺乏動力，但是噬菌體依然能夠自由移動，它們的病毒譜系涵蓋範圍極大，從土壤到植物或從海洋到淡水。新的環境為它們帶來了此前缺乏的新基因。令人驚訝的是，儘管往返於各種生態系統，病毒本身的基因卻保持得相當穩定，這使得它們變成了基因傳輸甚至整個生態系統傳輸的完美載體。
病毒穿梭於細菌基因周圍，但反過來說，細菌又可以接受噬菌體帶來的基因。事實上，我們可以想像噬菌體更多的是作為生態系統中的「物流工人」在發揮作用。再結合它們極度龐大的數目，噬菌體創造了無數的遺傳變異引發自然選擇。在某些情況下，允許噬菌體感染實際上比發展自身抗性更有利於宿主細菌本身，許多細菌自由「藉助」病毒基因，可以更好地保證自己的生存。病毒還可以攜帶基因，促進細胞與細胞間的相互作用。此外，儘管他們的衣殼大小有限，噬菌體經常攜帶額外看似風馬牛不相及的「夥伴」，這種額外的基因可以編碼防禦蛋白，模擬細菌的防禦機制。一個噬菌體甚至可以包含另一個噬菌體的整個基因組。
我們已經越來越清楚，噬菌體基因在自身與宿主之間來迴轉移，這模糊了病毒和細菌之間的基因界限。經過數億年彼此基因的自由共享、竊取和修飾，細菌和噬菌體往往擁有著彼此相似的功能區域。Willner說：「我們已經看到病毒如何在與我們玩遊戲，它們贏在數量和多樣性。它們隨身攜帶重要基因，並不斷重新編排這些基因，甚至把這些基因作為自身基因組的一部分，最終變得錯綜複雜，而有利於發揮自己的優勢。」
生物宇宙暗物質
噬菌體應該是簡單的：它們只有一些遺傳物質和一些蛋白質，結構上形成一個中空的「腦袋」和一個「尾巴」。它們依靠自己的細菌宿主進行代謝和繁衍，再擴散到新的宿主中。但它們又是不簡單的，儘管宿主各不相同，但是噬菌體一點也不挑剔。無論否有利於它們的生命，它們會把任何遺傳物質都裝到自己的小腦袋裡，從而改變它們下一個宿主的屬性並發生互作。
噬菌體研究使我們回到生物學研究的最初，重新學習和反思幾百年的固有觀念。即使在這個世紀，我們仍然認為遺傳和繁殖是DNA到RNA再到蛋白質的單向流動，並將其視為生物界的金科玉律。然而噬菌體卻無視這些規則。
用神話語言描述噬菌體再合適不過，它們都是弗蘭肯斯坦博士的異想天開的創作。在尋找宿主時，它們擁有強大的精神。想要走進噬菌體的未知世界有時看似荒謬，它違背了我們當前的生物現實。噬菌體的確是競爭激烈的「暗物質」，是我們尚未了解的生物新大陸 。
A bacteriophage encodes its own CRISPR/Cas adaptive response to evade host innate immunitydoi:10.1038/nature11927Safety analysis of a Russian phage cocktail: From MetaGenomic analysis to oral application in healthy human subjectsdoi: 10.1016/j.virol.2013.05.022.
Antibiotic treatment expands the resistance reservoir and ecological network of the phage metagenomedoi:10.1038/nature12212
Metagenomic detection of phage-encoded platelet-binding factors in the human oral cavitydoi: 10.1073/pnas.1000089107Bacteriophage–host interaction: from splendid isolation into a messy realitydoi.org/10.1016/j.mib.2013.04.007
（來源：生物探索 2013/09/13）
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