智能噬菌体鸡尾酒设计，一种精确控制水系统中微生物的途径

1.噬菌体混合设计：精准打击微生物

噬菌体疗法并非新鲜概念。自 1915 年噬菌体被发现后，1919 年便开始用于细菌感染治疗，但因早期发展挑战，西方国家逐渐以抗生素取而代之。如今，抗生素耐药性问题日益严重，加之基因工程与生物信息学技术进步，噬菌体疗法再度受到关注。

在当前 “噬菌体复兴” 背景下，噬菌体在水处理中的应用前景广阔，尤其在处理饮水分配系统、水处理膜、储存罐及下水道中的生物膜方面。噬菌体通过多种机制破坏包裹并保护生物膜细胞的胞外聚合物（EPS），例如，Caudovirales 尾部常见的多糖脱聚酶可降解 EPS，且噬菌体感染过程中可诱导多糖脱聚酶表达，提高宿主对消毒剂敏感性，减少废水处理中的泡沫问题，控制病原菌，改善污泥脱水性和可消化性。然而，设计有效的噬菌体生物控制技术仍面临诸多障碍。

噬菌体混合设计对于水系统中的微生物控制至关重要。噬菌体与其宿主共同进化，单一噬菌体治疗实验通常发现宿主会迅速进化出抗性。噬菌体混合可用于覆盖菌株水平的异质性，同时治疗多种病原体。商业应用中，噬菌体混合已被用于控制大肠杆菌、李斯特菌和沙门氏菌等食品污染。在水产养殖中，两到三种噬菌体混合被证明比单一噬菌体更有效。

2.成功噬菌体混合的关键特征

目前，噬菌体混合设计主要依赖试错法。随着对噬菌体感染机制的了解增加，研究人员可有意结合具有不同策略的噬菌体。例如，利用噬菌体的自然进化能力（噬菌体训练）获得能感染突变菌株的噬菌体，将其与原始噬菌体结合，形成更有效的噬菌体混合。此外，还可能观察到协同效应，如噬菌体J8–65的酶可降解大肠杆菌的粘液层，使噬菌体T7更容易接触受体，从而更好地控制大肠杆菌。

但并非噬菌体越多效果越好。研究表明，当太多噬菌体靶向同一受体时，混合效果可能变差。因此，设计噬菌体混合时需避免具有拮抗效应的噬菌体。

3.模型与测序：噬菌体生物控制发展的基石

基于动力学的模型可补充实验测试，揭示控制宿主所需的噬菌体剂量等关键信息。随着研究深入，模型开始关注一个宿主与多个噬菌体之间的相互作用。然而，这些模型依赖于实验表征噬菌体感染的众多参数，过程复杂。

测序技术，尤其是宏基因组学，加速了噬菌体发现，提高了对饮用水和废水微生物群落中噬菌体影响的认识。噬菌体DNA序列可指示其宿主，序列相似性、CRISPR间隔区等特征可用于预测感染网络。新测序技术如邻近连接测序（Hi-C）提高了病毒宿主相互作用网络的分辨率。

4.智能噬菌体混合设计的研究需求

图1 将噬菌体生物防治从实验室转向在水系统中应用所必需的研究方向

4.1基因工程与噬菌体训练

生物技术进步为快速开发新的、具有强裂解性和环境及人类食用安全性的噬菌体提供了可能。噬菌体训练已被用于获得能有效杀死突变菌株的噬菌体。

4.2改进模型

几十年来，人们一直认识到需要改进模型以预测噬菌体混合的成功。当前模型难以仅通过测序预测混合成功，因为通常不知道哪些基因对感染重要。此外，噬菌体混合研究很少解释为什么一种噬菌体比另一种更有用。

4.3理解非靶向感染的潜在影响

噬菌体的高度特异性常被视为优势，但越来越多的广谱噬菌体被发现，实验室菌株的宿主范围可能比野生噬菌体更窄。研究表明，噬菌体在水产养殖中的使用可能影响宿主微生物组，并在排水后污染环境水体。噬菌体生物控制对环境微生物组和人类健康的影响尚不明确。

参考文献：Hegarty B. Making waves: Intelligent phage cocktail design, a pathway to precise microbial control in water systems. Water Res. 2025 Jan 1;268(Pt A):122594. doi: 10.1016/j.watres.2024.122594