噬菌体如何寻找宿主？ 噬菌体搭上顺风车

  摘要：噬菌体细菌互作研究，主要集中在于宿主菌与噬菌体之间。然而，最新的研究发现，噬菌体可以利用非宿主菌作为载具，提高自身活动范围，从而更好的去找到自身的宿主。

  背景：鞭毛系统使细菌可以自主运动，从而有利于细菌趋向有利的环境。有报导称，缺乏运动能力的细菌，可以搭载具有自主运动能力的细菌，彼此形成互惠关系，搭载者可以逃避不利环境条件，而携带者则在搭载者协助下，提高对新环境的适应能力。而已知并没有自主运动系统的噬菌体，如何在复杂环境中寻找到自身宿主？为了探究这一问题，作者假设了噬菌体可能存在类似的搭载现象，且这一过程可能具有互惠互利的作用。

  图1. 噬菌体搭上顺风车寻找宿主

  为了探究噬菌体是否能够搭载非宿主菌，作者制备了一套简易的装置，如图2所示。该装置的具有单相流动和流速可控制的水流，由于噬菌体无法自主活动，因此，噬菌体像蓝色的颜料一般，随着水流方向流动。

  图2

  随着水流流速增大，水流直接流过中间水槽，不会到达底部。但是，当作者在水中添加了噬菌体和非噬菌体宿主菌后，可以在水流无法到达的底部检测得到噬菌体，这一现象，在不添加非噬菌体宿主菌后则不发生，表明了噬菌体可以通过非宿主菌的帮助，到达水槽底部(如图3中蓝色线所示，噬菌体到达底部后，会通过宿主细菌扩增，产生大量噬菌体，从而使检测到的噬菌体滴度上升)

  图3 水槽中噬菌体滴度检测

  作者推测，这一现象发生，与非宿主菌可以自主运动，克服水流影响有关。因此，作者消除了非宿主菌的鞭毛结构(该结构影响细菌自主运动)，再次进行实验，发现缺失了鞭毛结构和具有鞭毛结构的非宿主菌，与噬菌体能否达到水槽底部密切相关，缺失鞭毛后，噬菌体达到水槽底部的现象也减弱，证明了这一过程的密切相关性。(如图4所示)

  图4. 鞭毛结构与噬菌体能否到达水槽底部相关

  作者进一步采用荧光标记了非宿主菌(绿色)和水槽底部的宿主菌(红色)，并观测水槽底部细菌的变化情况。结果证明，非宿主菌，确实可以到达水槽底部并发生定植，如图5所示。

  图5. 非宿主菌定植实验

  通过电镜观察，作者发现了噬菌体可以吸附到非宿主菌的鞭毛结构上，因此通过搭载到非宿主细菌上，噬菌体可以便捷的到达原先无法到达的地方，找到自身宿主。

  图6. 噬菌体吸附到非宿主菌的鞭毛上

  为了探究这一现象是否普遍发生，作者采用非宿主菌的鞭毛，富集环境采集的未知水样。并对富集的噬菌体进行测序分析。证明了大量识别其他细菌的噬菌体，都可以吸附到该细菌的鞭毛上，说明了在自然环境中，搭载非宿主细菌的搭顺风车行为，可能是普遍存在的形式。

  图7 环境水样噬菌体吸附到非宿主菌的情况分析

  参考文献：Yu Z, Schwarz C, Zhu L, Chen L, Shen Y, Yu P. Hitchhiking Behavior in Bacteriophages Facilitates Phage Infection and Enhances Carrier Bacteria Colonization. Environ Sci Technol. 2021;55(4):2462-2472. doi:10.1021/acs.est.0c06969