噬菌体的插图

噬菌体是感染细菌并在生命进化中发挥潜在作用的病毒。

病毒名声不好。他们要为COVID-19大流行和自古以来困扰人类的一长串疾病负责。他们有什么值得庆祝的吗？

像我这样的许多生物学家认为，至少对于一种特定类型的病毒来说是存在的——即噬菌体，或感染细菌的病毒。当这些病毒的DNA被细胞捕获时，它可能包含使该细胞能够执行新技巧的指令。

细菌病毒的强大威力

噬菌体，或简称噬菌体，可以控制陆地和海上的细菌种群。它们每天杀死多达 40% 的海洋细菌，有助于控制细菌繁殖和有机物的重新分配。

噬菌体是杀死特定类型细菌的病毒。

它们选择性杀死细菌的能力也让医生们兴奋不已。天然和工程噬菌体已成功用于治疗对抗生素无反应的细菌感染。这个过程被称为噬菌体疗法，可以帮助对抗抗生素耐药性。

最近的研究指出了噬菌体的另一个重要功能：它们可能是自然界的终极基因修补者，可以制造细胞可以重组以获得新功能的新基因。

噬菌体图

噬菌体caspids可以携带病毒可以修补的额外DNA。

噬菌体是地球上最丰富的生命形式，有十亿个——即一个后面有 31 个零的 1——它们随时漂浮在世界各地。与所有病毒一样，噬菌体也具有很高的复制率和突变率，这意味着它们每次繁殖时都会形成许多具有不同特征的变体。

大多数噬菌体都有一个称为衣壳的坚硬外壳，里面充满了它们的遗传物质。在许多情况下，外壳的空间超过了噬菌体存储复制所必需的 DNA 所需的空间。这意味着噬菌体有空间携带额外的遗传包袱：噬菌体生存实际上不需要的基因，它可以随意修改。

细菌如何重组病毒开关

要了解这是如何发挥作用的，让我们更深入地了解噬菌体的生命周期。

噬菌体有两种主要口味：温和和有毒。像许多其他病毒一样，毒性噬菌体在入侵-复制-杀死程序上运行。他们进入牢房，劫持其组件，复制自己并爆发出来。

另一方面，温带噬菌体玩的是长期游戏。它们将自己的 DNA 与细胞的 DNA 融合在一起，可能会休眠数年，直到有什么东西触发了它们的激活。然后他们恢复到恶毒的行为：复制并爆发。

许多温和的噬菌体使用 DNA 损伤作为触发因素。这是一种“休斯顿，我们有问题”的信号。如果细胞的 DNA 受损，这意味着常驻噬菌体的 DNA 很可能会下一个，因此噬菌体明智地决定跳槽。除非检测到 DNA 损伤，否则指导噬菌体复制和爆发的基因会被关闭。

噬菌体周期

毒性噬菌体遵循病毒繁殖的裂解循环，一旦完成复制就破坏宿主。另一方面，温和的噬菌体遵循溶原循环并在宿主的 DNA 内保持休眠状态，直到它们被触发爆发。信用：CNX OpenStax/维基共享资源

细菌已经重组了控制生命周期的机制，以产生一个复杂的遗传系统，我和我的合作者已经研究了二十多年。

细菌细胞也有兴趣知道它们的 DNA 是否被破坏。如果是，它们会激活一组试图修复 DNA 的基因。这被称为细菌 SOS 反应，因为如果它失败了，细胞就会烤焦。细菌使用一种对 DNA 损伤作出反应的类似开关的蛋白质来协调 SOS 反应：如果有损伤，它就会打开，如果没有，它就会关闭。

也许并不奇怪，细菌和噬菌体开关在进化上是相关的。这就提出了一个问题：是谁发明了开关，细菌还是病毒？

我们之前的研究和其他研究人员的工作表明，噬菌体首先到达那里。在我们最近的报告中，我们发现拟杆菌属的 SOS 反应受到了噬菌体开关的控制，拟杆菌门是一组细菌，占肠道中多达一半的细菌，该噬菌体开关经过重组以实施细菌自身复杂的遗传程序. 这表明细菌的 SOS 开关实际上是在很久以前就被重组的噬菌体开关。

噬菌体感染

当温带噬菌体感染细菌细胞并将其基因组与细胞的 DNA 整合时，它通常处于休眠状态，直到被触发从细胞中爆发出来。但是一旦噬菌体的 DNA 成为细菌的一部分，突变就会破坏噬菌体的遗传物质并使其失去活性。这意味着当 DNA 损伤发生时，噬菌体将无法自我改造并爆发。随着时间的推移，细菌可能会调整噬菌体的开关以控制其自身的 SOS 响应基因。图片来源：Miquel Sánchez-Osuna/由 BioRender.com 创建

不仅仅是细菌开关似乎是噬菌体的发明。美丽的侦探工作表明，细胞分裂所需的细菌基因也是通过噬菌体毒素基因的“驯化”而产生的。许多细菌攻击系统，例如毒素和用于将它们注入细胞的基因枪，以及它们用来逃避免疫系统的伪装，已知或怀疑具有噬菌体起源。

病毒的好处

好吧，你可能会想，噬菌体很棒，但感染我们的病毒肯定不酷。然而，越来越多的证据表明，感染植物和动物的病毒也是这些生物体基因创新的主要来源。例如，驯化的病毒基因已被证明在哺乳动物胎盘的进化和保持人类皮肤湿润方面发挥着关键作用。

最近的证据表明，即使是含有 DNA 的细胞核也可能是病毒发明的。研究人员还推测，当今病毒的祖先可能率先使用 DNA 作为生命的主要分子。不小的壮举。

因此，尽管您可能习惯于将病毒视为典型的恶棍，但它们可以说是大自然的基因创新动力。人类今天很可能是因为它们。

由巴尔的摩县马里兰大学生物科学副教授 Ivan Erill 撰写。