噬菌體是一個縮影：小病毒對(duì)大科學(xué)的貢獻

噬菌體是地球上數量最多的生物，它們影響著(zhe)地球的整個生态系統。對(duì)于人們來說(shuō)，主要是來自醫學(xué)界的專家，他們對(duì)它們的獨特特征很感興趣——基于噬菌體的藥物是對(duì)抗危險細菌對(duì)抗病毒藥物日益增長(cháng)的耐藥性——抗生素耐藥性的重要工具。在第一份材料中，將(jiāng)打開(kāi)一系列關于研究噬菌體的特征和過(guò)程的出版物，來自 Rostec 國(guó)家公司 Nacimbio 控股公司的專家 Alexander Zharnikov 談到了噬菌體對(duì)現代基礎的發(fā)展所做的貢獻。科學(xué)。

今天，任何高中生都(dōu)至少對(duì)基因是什麼(me)、DNA是如何排列的、它是如何複制的以及如何從中讀取信息有了基本的了解。可以說(shuō)，現代分子生物學(xué)已經(jīng)能(néng)夠深入到生命的本質。
然而，很少有人想到科學(xué)家是如何了解這(zhè)一切的。在人類細胞和其他高度組織化的生物體中研究這(zhè)樣的過(guò)程是極其困難的。這(zhè)裡(lǐ)我們需要簡單的模型系統。在上個世紀，它們變成(chéng)了噬菌體——寄生于細菌的病毒。
生物學(xué)家的隐形助手
噬菌體顆粒具有基本結構：DNA 和蛋白質外殼。它們中的基因很少，它們很容易研究，如果有必要，你可以獲得大量的拷貝。正是由于這(zhè)些微觀的“外星人”，以及科學(xué)思想的飛躍和一系列優雅的實驗，人類體内基因工作的許多細節才爲人所知。
在俄羅斯，由于多年的臨床實踐，噬菌體是衆所周知的，主要作爲抗菌藥物。NPO Microgen 公司（隸屬于 Rostec 國(guó)家公司的 Nacimbio 控股公司）是世界上唯一一家以工業規模生産它們，投入大量資源進(jìn)行研究，甚至在俄羅斯創建了第一個生物資源中心。在這(zhè)種(zhǒng)結構的基礎上，形成(chéng)了在俄羅斯流通的噬菌體基金。
突變是随機的嗎？
突變會(huì)在活細胞中偶然發(fā)生，還(hái)是需要紫外線、輻射、病毒、毒素或其他因素？今天，這(zhè)些問題的答案，進(jìn)入學(xué)校課程，曾經(jīng)是任何科學(xué)界名人都(dōu)無法說(shuō)出的。
同時(shí)，找到答案也極其重要，因爲對(duì)基因、遺傳和進(jìn)化論的作用的理解都(dōu)依賴于此。該解決方案于 1943 年由兩(liǎng)位才華橫溢的美國(guó)科學(xué)家、微生物學(xué)家 Salvador Luria 和生物物理學(xué)家 Max Delbrück 于 1943 年發(fā)現（當時(shí)甚至沒(méi)有人知道(dào) DNA 是如何工作的！）。由于他們的發(fā)現，他們獲得了諾貝爾獎，而噬菌體在這(zhè)方面(miàn)爲他們提供了幫助。
到 1943 年，科學(xué)家們已經(jīng)知道(dào)細菌可以通過(guò)突變很快對(duì)噬菌體産生抗藥性。爲了解釋這(zhè)一現象，當時(shí)的生物學(xué)家分爲兩(liǎng)個陣營。一些人認爲噬菌體成(chéng)爲一種(zhǒng)“移植物”：它們本身會(huì)引起(qǐ)突變，因此細菌會(huì)對(duì)其後(hòu)代産生免疫力。其他人則認爲，甚至在微生物遇到噬菌體之前，突變就(jiù)會(huì)自發(fā)（随機）發(fā)生。
當 Luria 和 Delbrück 第一次嘗試檢驗這(zhè)些假設時(shí)，他們感到很失望：細菌的突變發(fā)生得如此随機，以至于完全不可能(néng)對(duì)其進(jìn)行分類。然後(hòu)一切都(dōu)按照一部好(hǎo)萊塢電影的情節發(fā)生了。一次意外幫了大忙：有一天，Luria 看著(zhe)他的同事(shì)在老虎機上赢了三美元，并獲得了一角硬币的獎金。科學(xué)家的腦海中閃過(guò)一個聯想，他意識到他需要計算具有不同突變的菌落數量。最常發(fā)生的突變很可能(néng)發(fā)生在最早幾代的微生物中（閱讀：在遇到病毒之前）。
Luria 與 Delbrück 分享了他的猜測，Delbrück 使用了統計數據的所有力量來測試它。突變僅在噬菌體作用下發(fā)生的假設已被駁斥。它們不斷出現，這(zhè)意味著(zhe)複制基因的錯誤可能(néng)是偶然發(fā)生的。進(jìn)化的主引擎從未停止過(guò)。
早在上個世紀中葉，捷克僧侶兼生物學(xué)家格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）用他著(zhe)名的豌豆實驗證明，生物不會(huì)直接從父母那裡(lǐ)繼承特征。這(zhè)通過(guò)某些底物 - 基因根據某些規律發(fā)生。
“生命密碼”在哪裡(lǐ)？
但什麼(me)是基因？科學(xué)家們很快意識到，這(zhè)些神秘的遺傳信息守護者位于染色體中。然而，染色體并不是那麼(me)簡單：它們包含 DNA 和蛋白質。現在看來令人驚訝，但直到上世紀中葉，科學(xué)家們才把手掌交給了蛋白質。美國(guó)生物學(xué)家阿爾弗雷德·赫爾希也持有這(zhè)樣的觀點。盡管如此，他還(hái)是決定與植物學(xué)家馬克蔡斯再次核對(duì)他的猜測。他們對(duì)後(hòu)來成(chéng)爲傳奇的細菌和噬菌體進(jìn)行了實驗。
科學(xué)家們知道(dào)，噬菌體會(huì)附著(zhe)在宿主細胞上，并向(xiàng)其中注入一些物質——DNA或蛋白質。這(zhè)種(zhǒng)物質成(chéng)爲新噬菌體顆粒合成(chéng)和組裝的指令。爲了了解噬菌體究竟將(jiāng)什麼(me)引入細菌，研究人員開(kāi)發(fā)了兩(liǎng)種(zhǒng)噬菌體。有些是在放射性硫同位素 35S 存在下生産的。硫存在于蛋白質中，但不存在于 DNA 中。因此，隻有噬菌體顆粒的蛋白質成(chéng)分被證明是被“标記”的。第二批噬菌體是在放射性磷同位素 32P 的存在下培育的。相反，它隻是DNA的一部分。
用不同的噬菌體感染不同的細菌培養物，然後(hòu)裝入攪拌機并充分搖晃以清除遊離病毒。然後(hòu)將(jiāng)樣品離心，結果，隻有細菌留在底部，在沉澱物中，隻有噬菌體殘留在肉湯中。當 Hershey 和 Chase 進(jìn)行分析時(shí)，他們發(fā)現該細菌所在的沉積物中，存在大量 32P。這(zhè)意味著(zhe)噬菌體將(jiāng) DNA 注入其中。事(shì)實證明，“生命密碼”一直隐藏在科學(xué)家面(miàn)前。
遺傳密碼的“字”中有多少個“字母”？
1961年12月30日，一篇題爲《蛋白質遺傳密碼的一般性質》的文章發(fā)表在《自然》雜志上，很快成(chéng)爲分子生物學(xué)的經(jīng)典，并被宣布爲“生物學(xué)中最傑出的著(zhe)作之一”。随後(hòu)，其他學(xué)者在他們的著(zhe)作中引用了它900多次。那麼(me)，這(zhè)份出版物的作者——分子生物學(xué)家弗朗西斯·克裡(lǐ)克、生物學(xué)家悉尼·布倫納和他們的兩(liǎng)位同事(shì)——是如何給科學(xué)界留下如此深刻印象的呢？
到這(zhè)篇文章發(fā)表時(shí)，科學(xué)家們已經(jīng)知道(dào) DNA 是由四種(zhǒng)含氮堿基（遺傳密碼的“字母”）組成(chéng)的，而蛋白質是由 20 種(zhǒng)氨基酸組成(chéng)的。簡單的計算表明，隻有一個含氮堿基不能(néng)編碼的氨基酸——這(zhè)對(duì)每個人來說(shuō)都(dōu)不夠。兩(liǎng)個含氮堿基的“詞”不夠：結果是 16 種(zhǒng)不同的組合，仍然少于氨基酸的數量。但是三個“字母”的“字”還(hái)是挺合适的。64 種(zhǒng)可能(néng)的組合超過(guò)了所有氨基酸的多樣性。理論上這(zhè)是合乎邏輯的，但實際上沒(méi)有人能(néng)證明這(zhè)一點。
1961 年，弗朗西斯·克裡(lǐ)克及其同事(shì)發(fā)現了期待已久的證據。科學(xué)家們是這(zhè)樣推理的。如果從 DNA 中“剪掉”一個“字母”，那麼(me)遺傳密碼將(jiāng)變得毫無意義，因爲整個閱讀框架都(dōu)會(huì)發(fā)生變化。例如，有一個代碼 AAT HCA AAA TCG。讓我們從中删除第一個“字母”并獲得 ATG CAA AAT CG。也就(jiù)是說(shuō)，所有後(hòu)續的“詞”也發(fā)生了變化，一個完全不同的基因橫空出世。
我們決定在 T4 噬菌體上檢驗這(zhè)個假設。他們在一種(zhǒng)叫(jiào)做黃素的化合物的幫助下引起(qǐ)了突變——它隻會(huì)導緻遺傳密碼的單個“字母”被删除或插入額外的“字母”。事(shì)實證明，如果隻去除一兩(liǎng)個“字母”，基因就(jiù)會(huì)停止工作，讀取完全不正确，正因爲如此，噬菌體無法再感染細菌。但是如果你一次添加或删除三個“字母”，那麼(me)蛋白質的結構幾乎不會(huì)改變，它仍然有效。因此證明了每個氨基酸是由三個含氮堿基的組合編碼的——一個三聯體。這(zhè)一發(fā)現對(duì)于分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的整個後(hòu)續發(fā)展的重要性難以估量。
DNA轉運蛋白
1958年，美國(guó)遺傳學(xué)家和生物化學(xué)家約書亞·萊德伯格因發(fā)現共轭“細菌性”而獲得諾貝爾獎。科學(xué)家發(fā)現細菌細胞之間可以直接交換遺傳物質，這(zhè)在它們的進(jìn)化中起(qǐ)著(zhe)重要作用。
Lederberg 在他的實驗中使用了大腸杆菌，後(hòu)來的生物學(xué)家 Norton Zinder 繼續他的工作。他決定測試結合在沙門氏菌中的作用，沙門氏菌是腸道(dào)感染的病原體。Zinder 采用了兩(liǎng)種(zhǒng)無法合成(chéng)某些化合物的微生物菌株，并在營養貧乏的培養基中培養它們，甚至使用青黴素。
由于新的突變，隻有适者生存。但是這(zhè)個以前對(duì)大腸杆菌有效的技巧對(duì)沙門氏菌無效。可能(néng)隻獲得一種(zhǒng)菌株，其中突變體似乎能(néng)夠爲自己合成(chéng)所有必需的物質。
然而，即使是乍看之下的微不足道(dào)的成(chéng)功，也變成(chéng)了失敗。分析表明，新的突變菌株是在沒(méi)有“細菌性”的情況下獲得的。但科學(xué)家并沒(méi)有放棄，繼續研究。他們建議，如果共轭與它無關，那麼(me)另一種(zhǒng)機制必須起(qǐ)作用。事(shì)實上，很快就(jiù)發(fā)現了：事(shì)實證明，噬菌體被賦予了突變的沙門氏菌基因。
于是在1966年，發(fā)現了噬菌體轉導。病毒的這(zhè)種(zhǒng)超能(néng)力使它們成(chéng)爲遺傳物質的極好(hǎo)載體，這(zhè)在基因工程中非常有用。在噬菌體的幫助下，某種(zhǒng)基因可以加載到細菌中，它們將(jiāng)開(kāi)始産生必要的化合物。
基因的“剪刀”
間接地，噬菌體爲現代科學(xué)家提供了一種(zhǒng)簡單、快速、高效的基因編輯方法。沒(méi)有他，基因工程很難取得如此令人矚目的成(chéng)功。這(zhè)一切都(dōu)始于 1987 年，當時(shí)日本科學(xué)家 Yoshizumi Ishino 意外發(fā)現了大腸杆菌 DNA 中的奇怪片段，其中重複序列被獨特的序列中斷。
這(zhè)些序列不編碼任何蛋白質，起(qǐ)初研究人員認爲這(zhè)隻不過(guò)是“遺傳垃圾”。然而，後(hòu)來在其他細菌中也發(fā)現了神秘的序列。它們被稱爲短回文重複序列，有規律地成(chéng)簇排列，簡稱 CRISPR。長(cháng)期以來，人們認爲這(zhè)是某種(zhǒng)受損 DNA 的修複系統（“修複”）。但在 2000 年，人們發(fā)現 CRISPR 實際上含有噬菌體基因的片段。于是科學(xué)家們意識到細菌有自己的“免疫系統”。
這(zhè)種(zhǒng)防禦機制就(jiù)是這(zhè)樣工作的。在特定的噬菌體進(jìn)入細菌細胞後(hòu)，它可以保存病原體的 DNA 片段并將(jiāng)其包含在 CRISPR 中。在該 DNA 的模闆上合成(chéng)一個 RNA 分子。後(hòu)者在細胞内遊動，像一個有方向(xiàng)的警察一樣，追蹤“熟悉的”噬菌體基因。一旦檢測到它們，Cas 核酸酶就(jiù)會(huì)被激活，并從字面(miàn)上切割病毒 DNA。這(zhè)種(zhǒng)保護系統稱爲CRISPR-Cas。這(zhè)有點讓人聯想到人體内的抗體：它們還(hái)能(néng)夠特異性地識别外來顆粒。
當然，研究細菌和噬菌體之間的軍備競賽很有趣，但 CRISPR-Cas 系統也有實際應用。2012 年，科學(xué)家們想出了如何用它來切割任何地方的任何生物體的棱角。事(shì)實證明，新方法比以前的方法更快、更有效。CRISPR-Cas 系統現在用于創建轉基因生物、生産藥物和基因診斷。它還(hái)具有治療鐮狀細胞性貧血和囊性纖維化等遺傳疾病的潛力。