噬菌体是地球上数量最多的生物实体，专门感染细菌。在自然环境中，噬菌体和细菌通过长期的“军备竞赛”形成动态平衡。然而，在工业发酵（如乳制品、制药、生物燃料生产）中，细菌通常以单一菌种的高密度形式培养，这种环境为噬菌体的快速增殖提供了温床。一旦噬菌体污染发生，可能导致以下严重后果：发酵失败：噬菌体感染导致细菌裂解，发酵产物（如乳酸、抗生素）无法正常积累。经济损失：污染可能中断生产线，造成原料浪费和停产损失。产品质量波动：噬菌体持续感染会导致产物浓度不稳定，影响产品一致性。传统方法（如设备消毒、紫外线处理）虽能减少环境中的游离噬菌体，但无法阻止噬菌体通过空气或原料进入生产系统。因此，开发基于细菌自身防御机制的“主动免疫”策略成为关键。

细菌在进化中形成了多种对抗噬菌体的机制，科学家通过基因工程可强化这些机制，将其转化为工业菌株的抗噬菌体能力。

1. 第一道防线：阻止噬菌体吸附

噬菌体感染的第一步是通过表面受体（如蛋白质、多糖）吸附到细菌上。细菌可通过以下方式阻断这一过程：删除或修饰受体：例如，删除大肠杆菌的TonA受体基因，使其对噬菌体T1和T5完全免疫。分泌“防护罩”：细菌分泌胞外多糖（EPS）覆盖受体，物理阻挡噬菌体结合（类似“隐身衣”）。竞争性结合：释放与噬菌体尾部蛋白结合的可溶性分子，阻止其接触细菌。局限性：噬菌体可能通过突变尾部纤维或产生分解多糖的酶突破防御。

2. 第二道防线：阻止噬菌体DNA注入

即便噬菌体吸附成功，细菌还能通过“超感染排除系统”（Sie系统）阻止DNA注入。例如：噬菌体自身编码的“门锁”蛋白：某些溶原性噬菌体（如乳酸乳球菌中的Tuc2009）在宿主基因组中整合后，会表达Imm蛋白，改变细胞膜结构，阻止同类噬菌体的DNA注入。

3. 第三道防线：破坏噬菌体DNA

细菌的限制修饰系统（R-M系统）能区分“自身DNA”和“外来DNA”：甲基化标记：细菌用甲基化酶标记自身DNA，限制性内切酶则切割未标记的噬菌体DNA。硫代磷酸化防御：某些细菌在DNA骨架上引入硫原子，使噬菌体DNA无法复制。升级版防御：BREX系统通过甲基化标记抑制噬菌体DNA复制，但不切割DNA；DISARM系统则通过识别DNA结构而非序列，实现广谱抗性。

4. 基因编辑利器：CRISPR-Cas系统

CRISPR-Cas是细菌的“适应性免疫系统”，工作原理类似“疫苗接种”：记录入侵者：当噬菌体首次感染时，细菌会截取一段噬菌体DNA（称为spacer）存入CRISPR阵列。精准打击：再次感染时，Cas蛋白携带这段spacer序列的RNA，识别并切割匹配的噬菌体DNA。工业应用：将CRISPR-Cas系统导入工业菌株（如乳酸菌、大肠杆菌），可定制针对特定噬菌体的防御。

天然防御机制虽有效，但单一策略易被噬菌体突破。基因工程可组合优化这些机制，或设计全新工具：

1. 超感染排除的强化

过量表达Sie蛋白：通过高拷贝质粒持续表达膜锚定蛋白，阻断噬菌体DNA注入。噬菌体“休眠开关”：将温和噬菌体的阻遏蛋白基因整合到宿主基因组，抑制噬菌体进入裂解周期。

2. 反义RNA干扰

设计与噬菌体关键基因互补的RNA片段，阻断其mRNA翻译。例如，靶向噬菌体的DNA聚合酶基因，阻止基因组复制。

3. 噬菌体触发自杀系统

将“自杀基因”置于噬菌体特异性启动子控制下。一旦感染，启动子激活，毒素蛋白表达并杀死细胞。

4. 合成基因组设计

通过重新编码细菌基因组（如删除特定tRNA），使噬菌体无法利用宿主翻译机器合成自身蛋白，实现“跨物种免疫”。

随着合成生物学与人工智能的发展，未来可通过数据驱动设计更高效的防御组合，甚至构建“噬菌体监控网络”实时预警污染风险。然而，噬菌体与宿主的“进化竞赛”永无止境，唯有持续创新与多学科协作，才能为生物制造产业筑牢安全防线。

参考文献：

Zou Xuan, Mo Ziran, Wang Lianrong, et al. Overcoming Bacteriophage Contamination in Bioprocessing: Strategies and Applications[J]. Small Methods, 2024,9(3).