為細菌噬菌體製作條形碼：新方法可能開啟強大的生物技術應用

超市中的條形碼讓產品識別變得快速而簡單，通常還包含位置、數量和追蹤等有價值的信息。

現在，來自美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員開發了一種快速基因標記或特徵化方案，專門針對感染細菌的病毒，即噬菌體（phages），以類似目的進行研究。

這種基於諾貝爾獎獲得的CRISPR基因編輯技術的方法，使科學家能夠理解噬菌體基因組中哪些部分對於其功能是至關重要的。一旦識別出非必需區域，這些區域的條形碼將允許研究人員和臨床醫生快速識別和追蹤在不同環境中存在的不同噬菌體。若擴大應用，該方法有望解鎖與農業、環境、人類健康等相關的強大生物技術應用。

例如，通過這種新條碼標記方法，研究人員能夠在使用噬菌體操縱植物根部周圍的微生物群以促進植物在乾旱條件下生長或不使用肥料的情況下，追蹤這些噬菌體。他們還可以追蹤被用於治療抗生素耐藥性感染等嚴重疾病的條形碼噬菌體。

“這項工作的影響是巨大的，”伯克利實驗室生物科學區的工作科學家、該方法的PLOS Biology論文的通訊作者Vivek Mutalik表示。“這項報告是首次在這一規模上研究細菌病毒的基因必需性。”

Mutalik表示，他和他的共同作者在全基因組範圍內展示了他們如何識別出對細菌感染至關重要（或不重要）的噬菌體基因。這就是科學家所稱的“基因必需性”。更重要的是，為一種噬菌體獲得的知識可以擴展到其他噬菌體。

“我們使用CRISPR干擾（CRISPRi）技術來降低兩種模型噬菌體中幾乎每個基因的表達，以此來繪製基因必需性地圖，”Mutalik說。“通過在全基因組範圍內降低每個基因的表達，我們可以評估這兩種噬菌體中哪些基因對感染週期是重要的，哪些基因是可有可無的（非必需）。”

Mutalik提到，CRISPRi已在哺乳動物和細菌系統中使用。他補充說，這項工作為不同噬菌體的類似研究開辟了一個新方向，並為建立基因型到表型的映射提供了指導，從而為未來的創新者提供指導。“我們還揭示了噬菌體基因之間的高度關聯性，發現抑制一個基因會影響到下游另一個基因的表達，這種現象被稱為‘極性’，”他說。

雖然這看起來可能是反直覺的，Mutalik表示，這項工作的目標是找到噬菌體基因組中的非必需基因。而這也是條形碼技術發揮作用的地方。

“問題是，一旦我們識別出一個非必需基因，我們是否可以用某種標識符——一個獨特的標籤來替換它，”Mutalik說。“這就像在超市中，每個商品都有條形碼。想像一下，有人把東西掉得到處都是。店主該如何知道去哪裡把所有東西放回去？他們可以利用條形碼來知曉是在哪條過道、何處等等。條形碼有助於組織和標準化整個工作流程，並幫助我們在一個合集中的不同項目中進行處理。噬菌體雞尾酒中也可以這樣操作。”

“假設我製作一種噬菌體雞尾酒——一種帶有獨特條形碼的噬菌體混合物——用於某種應用，”Mutalik接著說。“但之後我們希望追蹤噬菌體的表現。為此，我們可以簡單地找到並追蹤條形碼。這一過程將幫助我們確定在該噬菌體雞尾酒中哪些噬菌體在有效工作，哪些則未見成效。想像一下，五天後我們發現某個特定的噬菌體混合物處理無效，並需要進行一些更改。這時，我們可以透過移除一到兩種噬菌體，並添加一些更具潛力的噬菌體來改變噬菌體雞尾酒。使用標籤噬菌體將使整個過程更加高效。”

噬菌體是地球上最豐富的生物實體。它們代表著自然界中最大的基因多樣性庫之一，儘管大多數基因功能信息尚未被探索。Mutalik表示，新的CRISPRi特徵化方法可能將有助於釋放一系列有用的生物技術應用，如農業中的病原體控制、環境修復、食品和乳製品生產、基因治療、疫苗開發或消除經常累積並威脅設備功能及患者健康的危險生物膜。

“對於噬菌體的基因功能信息就像是一片我們尚未挖掘的知識海洋，”Mutalik說。“一方面是未開發的基因信息，另一方面是應用空間，例如抗生素抗性，我們需要一些緊急解決方案。潛在的噬菌體應用有很多。”

然而，儘管擁有潛力，Mutalik表示，噬菌體的特徵化仍然非常有限。部分原因在於，目前的基因特徵化方法勞動密集並且僅針對某些類型的噬菌體，這使得在這個龐大的噬菌體宇宙中不太具實用性。

“如果我們想研究數百種在多樣化應用中重要的噬菌體的基因組結構，我們需要進一步改進這些（特徵化）方法，”Mutalik說。

意識到這一點，美國能源部的生物應變研究虛擬環境（BRaVE）倡議，該倡議旨在支持國家的生物防備和應對能力，最近資助了“噬菌體工廠”（Phage Foundry）。在Mutalik的領導下，噬菌體工廠聚集了多學科和多機構的專業知識，開發一個基礎平台，整合噬菌體研究的許多方面，以促進針對抗微生物藥物耐藥病原體的針對性噬菌體療法的快速開發。

“噬菌體研究的未來一片光明，”Mutalik說。

這項新倡議不僅有助於改進噬菌體的特徵化方法，還可能為應對抗生素耐藥性挑戰提供新的解決方案。隨著生物技術的進步，噬菌體有望成為未來治療方案中的關鍵組成部分，特別是在對人類健康產生重大影響的領域。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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