背景：

近日，发表于《NatureMicrobiology》的一项研究带来了微生物学领域的重要突破。科研人员开发出一种名为“Phollow”的创新技术，能够在单病毒粒子分辨率下，原位追踪噬菌体在斑马鱼肠道微生物组中的复制和传播动态，为噬菌体研究及基于噬菌体的微生物组疗法开辟了新路径。

噬菌体作为地球上数量最多的生物实体，对微生物群落有着深远影响。它们既能作为细菌的致命捕食者，也能通过介导新遗传性状的转移来增强细菌适应性，在调控微生物群落结构和功能方面发挥着关键作用。因此，了解噬菌体如何塑造微生物组，对改善人类和环境健康意义重大，比如利用噬菌体爆发清除致病微生物或促进有益微生物的传播。然而，研究噬菌体在多成员群落和动物宿主中的传播动力学面临诸多技术挑战，传统研究方法在时空敏感性和可扩展分辨率上存在局限，许多关于噬菌体在胃肠道内的生物学问题尚未得到解答。

研究内容：

为攻克这些难题，来自加利福尼亚大学欧文分校的研究团队创建了“Phollow”技术。该技术利用基于活细胞成像的方法，通过在新感染细胞中组装噬菌体时用不同荧光蛋白标记病毒粒子，实现对噬菌体复制和传播的原位追踪（如图1：a展示了Phollow噬菌体的设计示意图，利用SpyTag:SpyCatcher系统在体内对噬菌体进行标记；b展示了Phollow病毒细胞在基因毒性抗生素处理下，细胞形态变化及噬菌体标记、释放过程；c展示了组合Phollow标记追踪细菌间噬菌体传播的原理）。研究人员以P2样噬菌体为模型系统，构建了荧光标记的“Phollow噬菌体”。这些噬菌体在感染新的细菌宿主后会带上新的荧光标签，且其感染性与未标记的噬菌体相似，能够很好地模拟野生型噬菌体的复制和传播过程（图1：d表明Phollow噬菌体与野生型DuoHS噬菌体相比，感染性水平相近）。

借助“Phollow”技术，研究人员深入探究了噬菌体裂解性复制的细胞生物学特征。他们观察到，用DNA损伤剂处理大肠杆菌Phollow病毒细胞后，细胞会发生丝状化并形成荧光病毒焦点，最终导致细菌裂解和病毒粒子释放（图2：a展示了大肠杆菌Phollow病毒细胞在裂解性复制不同阶段的状态，包括细胞丝状化、病毒粒子组装以及细胞裂解和病毒粒子释放）。通过成像流式细胞术，研究人员对裂解性复制的动力学进行了量化，发现诱导高峰出现在处理后1小时左右，此时约20%的细菌群体参与其中（图2：b为DuoHS噬菌体在大肠杆菌HS中裂解性复制的代表性诱导曲线；d为基于成像流式细胞术对裂解性复制随时间的量化分析）。此外，研究还发现噬菌体病毒粒子在细胞内会形成聚集体，这些聚集体在细菌裂解时会迅速分散成单个粒子（图2：I为噬菌体病毒粒子组装和分散的时间推移图像，展示了聚集体的形成、细菌裂解及粒子扩散过程），其形成机制和生物学意义值得进一步研究。

 在研究噬菌体在脊椎动物肠道内的爆发情况时，研究人员将Phollow技术与光学透明的斑马鱼幼虫相结合。他们用携带荧光标记噬菌体的大肠杆菌或气单胞菌定殖无菌斑马鱼的肠道，然后用抗生素诱导噬菌体裂解性复制。结果显示，在诱导后4小时内，肠道内出现大量病毒粒子，8小时后爆发逐渐减弱，24小时后病毒粒子基本消失（图4：c为未经处理和经三甲氧苄氨嘧啶处理的大肠杆菌Phollow病毒细胞在肠道内的最大强度投影图像，清晰展示了病毒粒子在处理后的出现；d为病毒粒子在食管区域的图像）。值得注意的是，气单胞菌来源的噬菌体能够迅速从肠道扩散到肝脏和大脑等肠外组织（图4：i展示了病毒粒子在肝细胞内的情况；j展示了病毒粒子在脑血管内的情况），这一发现为研究原核病毒与真核生物的相互作用提供了新的视角。

研究人员还利用Phollow技术在体外和体内监测噬菌体的传播。在体外实验中，他们构建了多成员细菌群落，观察到噬菌体在不同细菌细胞之间的传播过程，以及传播对群落组成的影响（图5：a为用MMC处理的混合培养物的最大强度投影图像，展示了不同荧光标记的Phollow病毒细胞；e为MMC处理后三成员群落的图像，可看到不同荧光标记的噬菌体在细菌群落成员上的着陆情况）。在体内实验中，通过对斑马鱼肠道内细菌群落的跟踪，发现噬菌体的传播与肠道细菌群落的空间组织存在动态关联，噬菌体的爆发会导致细菌群落的空间结构发生快速变化（图6：c为AausFP1病毒细胞/mKate2靶细胞肠道群落在处理前、处理后2小时和4小时的荧光显微镜图像，直观呈现了群落空间结构的变化）。

结论：

“Phollow”技术为噬菌体研究带来了新的突破，让我们能够更直观地观察噬菌体在复杂环境中的行为。尽管该技术存在一定局限性，如荧光标记可能影响噬菌体的天然功能、依赖需氧荧光蛋白限制了在厌氧环境中的应用等，但随着技术的不断改进和发展，有望克服这些问题。未来，“Phollow”技术将助力科学家深入了解噬菌体在微生物组中的作用机制，推动基于噬菌体的微生物组疗法的开发，为人类健康和环境微生物学研究提供更有力的支持。

参考文献：

OrtizdeOra,L.,Wiles,E.T.,Zünd,M.etal.Phollowrevealsinsituphagetransmissiondynamicsinthezebrafishgutmicrobiomeatsingle-