噬菌體神奇的“搭便車”行爲

噬菌體是感染細菌的特異性病毒，利用宿主代謝繁殖子代噬菌體。噬菌體沒(méi)有運動系統，主要通過(guò)自由擴散的方式尋找宿主細菌，但是單純依靠擴散很難侵染空間距離遠的宿主。然而，在複雜的微生物群落中，噬菌體可以通過(guò)非特異性或特異性吸附于具有運動能(néng)力的細菌上。細菌遷移帶著(zhe)噬菌體，這(zhè)種(zhǒng)“搭便車”行爲有利于它們與其他宿主細菌相遇。
微生物運動系統（如鞭毛）能(néng)夠趨化細菌遠離有害的化學(xué)物質、向(xiàng)著(zhe)營養豐富的地方移動。有一組獨特的噬菌體，命名爲親鞭毛噬菌體，靶向(xiàng)細菌鞭毛。吸附在鞭毛後(hòu)，“搭便車”的噬菌體可以在細菌的幫助下傳播到其他無法到達的地方。來自Seppe實驗室的本科生Derek Ping進(jìn)行了實驗，將(jiāng)大腸杆菌和噬菌體P1vir接種(zhǒng)在培養基瓊脂平闆中央（圖1A），19個小時(shí)後(hòu)，最外層的亮環是密集的細菌種(zhǒng)群（圖1B1），它們以每小時(shí)0.5厘米的速度遷移（每立方厘米有數十億個細菌)。然而，在菌落的中心有一個直徑約6厘米的暗區，這(zhè)是由于噬菌體感染導緻細菌死亡造成(chéng)的（圖1B2）。此外，在菌落的中心還(hái)有一個細菌密集的區域，對(duì)噬菌體耐受的細菌在此增長(cháng)（圖1B3）。基于非運動細菌研究的現有理論表明，噬菌體在不主動運輸的情況下，不能(néng)在如此短的時(shí)間（幾小時(shí)内）移動如此大的距離。因此，研究人員推測噬菌體可能(néng)在感染潛伏期或在將(jiāng)DNA注射前附著(zhe)在細菌上，與遷移的細菌一起(qǐ)移動。

圖1A.細菌感染具有運動能(néng)力的細菌；B.噬菌體P1vir感染後(hòu)大腸杆菌遷移
圖片來源于Reference 1
噬菌體還(hái)可以通過(guò)非特異性吸附，與非宿主細菌相互作用，在運動細菌上“搭便車”促進(jìn)其遷移。Zhuodong Yu等人發(fā)現噬菌體PHH01可以“搭便車”蠟樣芽孢杆菌，促進(jìn)其感染宿主細菌——大腸杆菌。PHH01可以吸附在蠟樣芽孢杆菌的鞭毛上，增強了噬菌體的運動，使其對(duì)生物膜中的大腸杆菌的感染效果比單獨的PHH01強4.36倍。但是，噬菌體感染增強了蠟樣芽孢杆菌的定植能(néng)力；蠟樣芽孢杆菌在最終生物膜中的比例由無噬菌體時(shí)的9%上升到有噬菌體時(shí)的43%。宏基因組和電子顯微鏡結果分析表明，在水生噬菌體中，不同分類和不同形态的噬菌體，吸附在有鞭毛的細菌上可能(néng)是一種(zhǒng)廣泛的策略。總之，噬菌體的搭便車行爲可以促進(jìn)其對(duì)細菌的感染能(néng)力，促進(jìn)載體細菌定植，從而顯著影響生物膜組成(chéng)，這(zhè)爲幹預生物膜形成(chéng)和調節相關風險提供了希望（圖2）。

圖2 噬菌體的搭便車行爲促進(jìn)噬菌體感染和增強載體細菌定植
圖片來源于Reference 2
總的來說(shuō)，噬菌體可以通過(guò)有運動功能(néng)的細菌種(zhǒng)群“搭便車”，噬菌體和它們的細菌宿主之間的生态進(jìn)化異常激烈。這(zhè)種(zhǒng)搭便車策略可用于噬菌體定向(xiàng)遞送，以擴大噬菌體作爲抗菌或基因轉移劑的應用範圍和效率。