科学家研究发现噬菌体是在生命进化中发挥潜在作用的病毒

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巴尔的摩马里兰大学生物科学副教授Ivan erill最近写了一篇文章,说噬菌体是在生命进化中发挥潜在作用的病毒。这种病毒有“坏名声”。它们不仅是新冠肺炎大流行的罪魁祸首,也是自古以来困扰人类的一系列疾病的起因。许多生物学家认为,至少一种特定类型的病毒(即噬菌体或攻击细菌的病毒)是不同的。当这些病毒的DNA被细胞捕获时,它可能包含使细胞能够执行新技术的指令。

噬菌体控制着陆地和海上的细菌数量。它们每天杀死海洋中多达40%的细菌,有助于控制细菌繁殖和有机物的再分配。

它们选择性杀灭细菌的能力也激发了医学科学家的兴趣。天然噬菌体和工程噬菌体已成功用于治疗抗生素无反应的细菌感染。这一过程被称为噬菌体疗法,可以帮助对抗抗生素耐药性。

科学家研究发现噬菌体是在生命进化中发挥潜在作用的病毒-第1张图片-IT新视野

最近的研究指出了噬菌体的另一个重要功能。它们可能是自然界中最终的基因“修补者”,并且“精心制作”新的基因,细胞可以再加工以获得新的功能。

噬菌体是地球上最丰富的生命形式。大量的噬菌体随时飘浮在世界各地。与所有病毒一样,噬菌体具有很高的复制率和变异率,这意味着它们在每次复制时都会形成许多具有不同特征的变体。

大多数噬菌体都有一个叫做衣壳的硬壳,里面充满了它们的遗传物质。在许多情况下,外壳的空间超过了噬菌体储存复制所需DNA的需要。这意味着噬菌体有携带额外基因的空间:噬菌体存活实际上不需要的基因可以随意修改。

科学家研究发现噬菌体是在生命进化中发挥潜在作用的病毒-第2张图片-IT新视野

细菌如何调整病毒的“开关”

有两种主要类型的噬菌体:温和噬菌体和有毒噬菌体。与许多其他病毒一样,有毒噬菌体根据入侵、复制和杀灭的程序运行。它们进入细胞,劫持其组件,复制自己,然后爆炸。

另一方面,温和的噬菌体“起着长期的作用”。他们将自己的DNA与细胞的DNA融合,并可能睡眠数年,直到有什么东西触发他们的激活。然后他们又回到有毒行为:复制和爆发。

许多温和的噬菌体利用DNA损伤作为“触发器”。如果细胞的DNA被破坏,这意味着“驻扎”的噬菌体的DNA可能成为下一个目标,因此噬菌体明智地“决定换工作”。除非检测到DNA损伤,否则指导噬菌体复制和爆发的基因将被关闭。

细菌已经调整了控制这个生命周期的机制,以产生一个复杂的遗传系统,埃里尔和他的合作者已经研究了20多年。

细菌细胞还想“知道”他们的DNA是否被破坏。如果是这样,它们会激活一组基因,试图修复DNA。这被称为细菌SOS反应。细菌利用一种对DNA损伤作出反应的“开关”蛋白质来协调SOS反应。如果有损坏,它将打开。如果没有损坏,它将保持关闭状态。

也许毫不奇怪,细菌和噬菌体的“开关”在进化上是相关的。这就提出了一个问题。谁发明了开关,细菌还是病毒?

艾瑞尔和其他研究人员之前的研究表明,噬菌体首先到达那里。在最近的一份报告中,研究小组发现类杆菌的SOS反应(占人类肠道细菌总数的一半)由噬菌体“开关”控制,该开关被重新调整以实现细菌自身的复杂遗传程序。这表明细菌的SOS开关实际上是一个噬菌体“开关”,很久以前就被重新调整过了。

不仅仅是细菌,“开关”似乎是噬菌体的发明。研究表明,细胞分裂所需的细菌基因也是通过噬菌体毒素基因的“驯化”产生的。许多细菌攻击系统,如毒素和用于将其注入细胞的“基因枪”,以及用于避开免疫系统的“伪装”,都已知或怀疑是噬菌体的起源。

病毒的好处

越来越多的证据表明,感染动植物的病毒也是这些生物体基因创新的主要来源。例如,驯化的病毒基因已被证明在哺乳动物胎盘的进化和保持人类皮肤湿润方面起着关键作用。

最近的证据表明,即使是含有DNA的细胞核也可能是病毒的“发明”。研究人员还推测,今天病毒的祖先可能率先将DNA用作生命的主要分子。这是一个不小的成就。

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