针对细菌辅助代谢基因扩展了对噬菌体及其重编程策略的理解

感染细菌的病毒(称为噬菌体)可以有针对性地用于对抗细菌性疾病。它们还在全球生物地球化学循环中发挥着重要的生态作用。凯泽斯劳滕-兰道大学 (RPTU) 的研究人员最近在水生噬菌体中发现了一种以前未知的辅助代谢基因，从而大大扩展了人们对这些细菌捕食者的先前了解。

噬菌体是专门攻击细菌的病毒。许多科学家的目标是进一步了解这些微小的复制单位，其尺寸在 20 到 300 纳米之间(一根头发的厚度为 80,000 纳米)。

RPTU 的 Nicole Frankenberg-Dinkel 教授解释说：“如果我们了解噬菌体最终如何感染和杀细菌的细节，那么未来我们可能能够专门利用它们来对抗有害细菌。”微生物学团队正在研究噬菌体将细菌变成其复制“工厂”的各种策略，即生产数百个新的噬菌体。

“我们对水生栖息地特别感兴趣，特别是海洋和湖泊，因为噬菌体数量众多，而且它们在营养物质循环中发挥着重要的生态作用，”Frankenberg-Dinkel 教授说。

噬菌体研究领域的长期目标不仅是应用噬菌体疗法对抗导致疾病的“坏”细菌，而且要坚持在水生栖息地解决噬菌体在全球营养循环中的生态作用。

噬菌体在水生环境中发挥着至关重要的生态作用，它控制着细菌种群，维持着微生物多样性，并通过病毒分流等过程影响营养循环。它们还通过促进水平基因转移(从一个生物体传播到另一个生物体，而不是像通常那样从一代传到下一代)和对细菌施加选择压力来推动微生物进化。

在最近的一项研究中，Frankenberg-Dinkel 团队与来自以色列、荷兰、图宾根和斯泰希林/波茨坦的研究人员合作，利用生物信息学分析了环境样本中的噬菌体遗传物质。

“通常，这些遗传物质主要包含生产新噬菌体颗粒的蓝图信息。然后噬菌体将细菌用作工厂，”教授说。

然而，研究人员还在噬菌体遗传物质中发现了“辅助代谢基因”。这些辅助基因原本来自细菌，曾被噬菌体劫持。它们不是新噬菌体颗粒组装所必需的，而是在噬菌体感染过程中对宿主(即细菌)进行“重新编程”的。

“在我们的研究中，我们发现了噬菌体中一种以前未知的辅助代谢基因，”Frankenberg-Dinkel 在解释她的最新研究结果时说道。“我们能够证明这种基因编码的活性蛋白质对于‘生命色素’的生物合成至关重要。”

四吡咯被称为生命色素。这些化合物最重要的代表是血红素(血液中血红蛋白的成分，用于输送氧气)和叶绿素(光合作用所必需的绿叶色素)。

Frankenberg-Dinkel 指出：“我们的研究结果表明，四吡咯在噬菌体感染过程中起着重要作用。它们似乎非常重要，以至于噬菌体携带这种额外的遗传物质，因为它对它们有益。”

“四吡咯对噬菌体感染的重要性此前并未被如此广泛地了解。四吡咯对于细胞的能量产生至关重要，”Frankenberg-Dinkel 继续说道。“我们怀疑当细菌必须产生噬菌体颗粒时，能量需求会增加。因此，可能需要更多的四吡咯。”

研究人员能够证明辅助代谢基因存在于盐水和淡水中发现的噬菌体中。

Frankenberg-Dinkel 表示，目前的研究结果揭示了另一个有趣的发现：有两种方法可以产生四吡咯的第一个前体，其中一种就是所谓的 Shemin 途径。研究人员在噬菌体中发现的正是这种途径——或者更确切地说是它所需的基因组成。

“Shemin 通路仅存在于一组细菌中，除此之外，还仅存在于鸟类和哺乳动物中。这意味着噬菌体一定是从一组特定的细菌中获得了这种基因。也许是因为 Shemin 通路比替代的 C5 通路更有效，因为它只需要一种酶而不是两种，”她总结道。

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