感染并杀死细菌的病毒，称为噬菌体，作为治疗危险感染（包括对抗生素产生抗性的菌株）的新方法，具有巨大潜力。然而，病毒学家对噬菌体如何在其感染的细菌细胞群体中持续存在知之甚少，这阻碍了噬菌体疗法的发展。
12月12日在线发表于《科学》杂志的一项新研究首次提供了证据，表明单一细菌物种——噬菌体的宿主——可以维持一个多样化的竞争噬菌体群落。该研究由纽约大学格罗斯曼医学院、牛津大学和耶鲁大学的研究人员领导，结果显示，几种噬菌体物种在一个遗传均一的埃希氏大肠杆菌（一种定植于人类肠道并包括致病变种的细菌物种）菌群上稳定共存。
研究人员发现，尽管病毒之间存在竞争，但不同的噬菌体物种更喜欢生长速度较慢或较快的细胞，这些细胞随机出现在菌群中。通过这种方式，每种噬菌体都能在同一个宿主上找到一个独立的生态位，从而实现稳定共存。例如，缺乏局部营养素（饥饿）可能会减缓某些细胞的生长，以保存稀缺资源。在本研究中，两种噬菌体物种，标记为N和S，共存是因为N更适合在快速生长的细菌细胞中生存，而噬菌体S在缓慢生长的细胞中表现更好。
设计噬菌体疗法的研究人员希望避免在抗生素治疗中出现的问题，即某种药物杀死细菌，但留下那些偶然对该药物作用机制最抗性的部分。这些幸存者是一个主要的担忧，因为它们已经对可用的治疗方法产生了抗性。
“了解多种噬菌体如何在同一细菌上长期存活，可以帮助设计下一代噬菌体混合物，”第一作者诺拉·佩森森博士（Nora Pyenson, PhD）说，她是纽约大学兰贡健康系统系统遗传学研究所乔纳斯·舒特博士（Jonas Schluter, PhD）实验室的博士后学者。“例如，每种噬菌体可能在细菌生命周期的不同阶段攻击它，使整个菌群在耐药性进化之前被杀死。”
“目前还没有噬菌体疗法成为细菌感染的标准治疗方法，因为在过去的尝试中，单一噬菌体无法杀死所有目标细菌，或者细菌进化出了抗性，类似于抗生素抗性的进化，”佩森森博士补充道。
实验室已经在测试噬菌体治疗作为抗生素的替代品。例如，耶鲁大学的保罗·特纳博士（Paul Turner, PhD）领导了一项临床试验，使用噬菌体对抗铜绿假单胞菌，这种细菌会导致囊性纤维化患者的肺部严重炎症。舒特博士的实验室正在研究噬菌体在人类和小鼠肠道生态系统中的作用，以塑造未来针对沙门氏菌等感染的疗法。主要目标是预测噬菌体给药的影响，并设计普遍适用于许多患者而非仅针对单一患者的噬菌体疗法。
噬菌体生态学的重要性
理解物种多样性是生态学和进化生物学的基本问题。使多样性得以维持的主要因素之一是，物种在竞争资源的同时找到了共存的方式。然而，病毒通常不被视为“社会”背景下的生物。
当前的研究团队实验性地测试了长期以来的一个假设，即细菌的遗传多样性限制了病毒物种的多样性。这一假设导致了预期，即一种噬菌体会胜过所有其他噬菌体成为唯一的幸存者。然而，正如多细胞生物体内微生物组中存在多种细菌物种一样，新的结果表明，单一细菌菌株可以容纳一个多样化的噬菌体群落，独自存在。
“我们的研究为研究病毒的社会生活这一新兴领域做出了贡献，”佩森森博士补充道。“我们通常从病毒对宿主的影响角度来考虑病毒，但它们也存在于其他病毒物种的背景下。这些噬菌体群落展示了即使在最简单的生物学单元中，多样性是如何产生的。”
有趣的是，人类肠道中存在多样化的细菌群落是健康的标志，因为多样化的物种（微生物组）更能抵抗任何入侵的致病物种的主导地位。同样，占据生活在肠道中的细菌的病毒群落也被认为是健康的重要调节器，异常的噬菌体组合被认为会引发败血症等疾病。
“这项工作代表了我们对噬菌体生态学理解的转变，”舒特博士说，他也是纽约大学兰贡医学院微生物学系的教授。“感谢诺拉的工作，她在疫情期间跨越四个实验室完成了这项研究，我们现在可以开始理解噬菌体在与多样化病毒物种共存时的进化过程，以及这如何塑造它们在健康和疾病中的作用。”
除了佩森森博士和舒特博士，耶鲁大学的特纳博士，研究作者还包括耶鲁大学生态学与进化生物学系的阿舍·利克斯（Asher Leeks）和奥德里·纽韦克（Odera Nweke）、加州理工学院地质与行星科学系的约书亚·戈尔福德（Joshua Goldford）、牛津大学生物系的凯文·福斯特（Kevin Foster）以及西班牙萨拉曼卡大学功能生物学与基因组学研究所的阿尔瓦罗·桑切斯（Alvaro Sanchez）。福斯特博士和桑切斯博士与佩森森博士一起担任通讯作者。
这项工作的部分资金来自生命科学研究基金会和西蒙斯基金会提供给佩森森博士的资金，以及来自美国国立卫生研究院国家自身免疫和传染病研究所的创新者奖（DP2AI164318）提供给舒特博士的资金。
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