近日美国德州农工大学化学工程系Artie McFerrin部门的Thomas Wood教授在一项新研究中发现了细菌吸收入侵病毒的异源DNA使之并入到自我调节过程的机制，揭示了自然界最原始的一个免疫系统的奥秘。研究成果发表在《自然通讯》 Nature Communications 杂志上。在论文中作者详细地描述了在数百万年的进程中，细菌通过不断地利用它们的自然界敌人病毒的DNA形成抗生素抵抗能力的机制。

Wood解释说：“细菌与噬菌病毒之间的斗争已经持续了数百万年。在这一过程中病毒总是通过一种方式——入侵到细菌细胞中并将自身整合到细菌的染色体上来实现自我复制。当这种情况发生时细菌通常会生成一份包含病毒颗粒的染色体，随后病毒会进行自我复制，杀死细菌。这一机制与定时炸弹非常相似。”

然而病毒也会有失手的时候，这是因为细菌染色体内经常发生随机但却是大量的突变。整合至细菌染色体中的病毒也可能受到突变的影响从而使其无法进行自我复制并杀死细菌。利用这种新的多变的遗传物质融合机制，细菌不能战胜了病毒，并且相比于未掺入病毒DNA的细菌，能够以更快的效率不断地繁殖。

“在数百万年的时间里，病毒成为了细菌的正常组成部分，”Woods说：“它为细菌带来了新技能、新基因、新蛋白、新的酶等一切的新鲜事物。细菌也在不断地学习如何从中取益。”

“我们发现利用数百万年来陷入染色体中的病毒DNA，细菌由此生成了一种新的免疫系统，形成许多新的蛋白使其能够抵抗抗生素和其他可以氧化细胞的有害物质，例如过氧化氢。这些细菌还获得了一套新病毒技巧使其不会死亡或是不会快速死亡，”Woods说。

为了了解病毒DNA对于细菌的重要意义，Wood研究小组在研究中应用了一种大肠杆菌菌株。研究人员利用一种“酶剪切”工具除去了细菌染色体上的9个病毒片段（准确地说是移除了16万6千个核苷酸）。当病毒片段被成功地移除后，研究人员检测了细菌细胞的改变情况。进而研究人员发现细菌对于抗生素的敏感性显著增强。

当Wood在大肠杆菌中对这种效应进行研究时，他发现相似的过程以大规模的、广泛地形式发生着。在几乎所有的细菌中都发现有病毒DNA，有些菌株中的病毒DNA甚至占据了染色体的20%的比例。

“事实上有些细菌其五分之一的染色体都来自于它的敌人。在我们的研究之前，人们大多忽视了研究这20%的染色体，”Wood说：“他们认为这些病毒DNA是静默且无关紧要的，对细胞并没有什么大的影响。”

Wood说：“我们的研究第一次表明我们需要专注所有的细菌，关注它们古老的病毒颗粒，以确定它们是如何影响细菌当前具备的抵抗诸如抗生素之类事物的能力的。如果我们能够基于这些附加的DNA找到细菌更加耐受抗生素的机制，我们或许能够制造出新型的有效的抗生素。”

推荐原文出处：

Nature Communications   doi:10.1038/ncomms1146

Cryptic prophages help bacteria cope with adverse environments

Xiaoxue Wang,Younghoon Kim,Qun Ma,Seok Hoon Hong,Karina Pokusaeva,Joseph M. Sturino& Thomas K. Wood

Phages are the most abundant entity in the biosphere and outnumber bacteria by a factor of 10. Phage DNA may also constitute 20% of bacterial genomes; however, its role is ill defined. Here, we explore the impact of cryptic prophages on cell physiology by precisely deleting all nine prophage elements (166?kbp) using Escherichia coli. We find that cryptic prophages contribute significantly to resistance to sub-lethal concentrations of quinolone and β-lactam antibiotics primarily through proteins that inhibit cell division (for example, KilR of rac and DicB of Qin). Moreover, the prophages are beneficial for withstanding osmotic, oxidative and acid stresses, for increasing growth, and for influencing biofilm formation. Prophage CPS-53 proteins YfdK, YfdO and YfdS enhanced resistance to oxidative stress, prophages e14, CPS-53 and CP4-57 increased resistance to acid, and e14 and rac proteins increased early biofilm formation. Therefore, cryptic prophages provide multiple benefits to the host for surviving adverse environmental conditions.

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