认识微观世界的小偷：用偷来的基因对抗感染

这只轮虫刚刚从一场危及生命的感染中幸存下来。当真菌性疾病来袭时，她启动了数百个基因，这些基因是她的祖先从微生物中复制而来的，包括从细菌那里偷来的抗生素配方。图片来源:C. G. Wilson 2019

这些微生物被称为轮虫，意思是“爬行的车轮动物”。虽然它们比头发丝还小，但它们像其他动物一样有头、口、肠、肌肉和神经。

这项研究最近发表在《自然通讯》上，揭示了当这些轮虫受到真菌感染时，它们会激活从细菌和其他微生物那里获得的数百个基因。其中一些基因在轮虫体内产生抗药性武器，例如抗生素和其他抗菌剂。

牛津大学首席研究员克里斯·威尔逊(Chris Wilson)表示:"当我们解读DNA密码，试图弄清这些被偷走的基因在做什么时，我们大吃一惊。这些主要基因是制造化学物质的指令，我们原本以为动物无法制造这些物质——它们看起来像是抗生素的配方。"

与其他动物一样，轮虫需要制定策略来抵御感染，避免像这只患病个体一样被真菌占据并杀死。图片来源:C. G. Wilson 2024

此前的研究发现，轮虫从周围环境中获取DNA已有数百万年的历史，但这项新研究首次发现它们利用这些基因来对抗疾病。目前尚无其他动物以如此大规模的方式“窃取”微生物的基因。

“这些复杂的基因——其中一些在其他动物中从未发现——是从细菌中获得的，但在轮虫中经历了进化，”该研究的合著者、海洋生物实验室约瑟芬湾保罗中心高级科学家兼主任大卫·马克·韦尔奇(David Mark Welch)说道，“这表明轮虫有可能产生新型抗菌素，其毒性可能低于我们从细菌和真菌中开发的抗菌素，对包括人类在内的动物毒性更低。”

抗生素对现代医疗至关重要，但其中大多数并非由科学家发明。相反，它们是由野生真菌和细菌自然产生的，人类可以制造人工版本作为药物使用。

这项新研究表明，轮虫可能也在进行类似的工作。

威尔逊解释道:“这些奇怪的小动物复制了微生物制造抗生素的DNA。我们观察到它们利用其中一种基因来对抗真菌引起的疾病，感染后存活下来的动物产生的化学成分是死亡动物的10倍，这表明它有助于抑制疾病。”

这种轮虫正在用它的"轮子"吸食并吃掉漂浮在水中的细菌和其他颗粒。这种动物长约半毫米，头部有"轮子"。图片来源:C. G. Wilson 2024

科学家认为，轮虫可以为寻找治疗细菌或真菌感染的药物提供重要线索。

抗生素的疗效正在减弱，因为致病微生物已经进化出抗药性，不再对治疗产生反应。世界卫生组织最近发出警报，在6月的一份报告中警告称，迫切需要开发新的抗生素来应对抗药性的威胁。

“轮虫使用的配方与已知的微生物基因不同，”研究作者、斯特灵大学的鲁本·诺威尔(Reuben Nowell)说道，它们同样冗长而复杂，但DNA密码的某些部分发生了变化。我们认为，这种配方在进化过程中发生了改变，轮虫因此产生了新的、不同的化学物质。这令人兴奋，因为这可能为未来的药物研发提供思路。”

轮虫从细菌中获得的基因编码一类不寻常的酶，可将氨基酸组装成一种称为非核糖体肽的小分子。

“这项研究的下一阶段应包括鉴定由轮虫产生的多种非核糖体合成的肽，并确定诱导这些化合物合成的条件，”该研究的合著者、海洋生物实验室高级科学家伊琳娜·阿尔希波娃(Irina Arkhipova)说道。

开发新药的一个问题是，细菌和真菌产生的许多抗生素化学物质对动物有毒或产生副作用。只有少数几种可以转化为清除人体有害微生物的治疗方法。如果轮虫已经在自己的细胞中产生类似的化学物质，那么它们就有可能开发出对包括人在内的其他动物更安全的新药。

一个很大的问题是，为什么轮虫是唯一从微生物中大量借用这些有用基因的动物。

牛津大学的研究合作者蒂姆·巴拉克罗夫(Tim Barraclough)表示:“我们认为这可能与这些轮虫的另一个奇怪事实有关。与其他动物不同，我们从未见过雄性轮虫。轮虫母亲产下的卵子无需经过交配或受精即可孵化成自己的基因复制品。”

有一种理论认为，像这样复制自己的动物可能会变得如此相似，以至于变得不健康。Barraclough解释道:“如果其中一只感染了疾病，那么其他动物也会感染。由于轮虫没有性行为，因此亲代基因能够以有益的方式进行重组，轮虫母亲的基因组直接传递给后代，不会引入任何新的变异。”

“如果轮虫找不到改变基因的方法，它们可能会灭绝。这或许有助于解释为什么这些轮虫从其他地方借用了如此多的基因，尤其是那些有助于它们应对感染的基因，”Barraclough说道。

诺威尔认为，从轮虫及其窃取的DNA中可以学到更多东西。他说:“轮虫使用的数百个基因在其他动物中从未出现过。抗生素配方令人兴奋，其他一些基因甚至看起来像是从植物中提取的。这些发现只是关于基因如何在不同物种间移动以及为何移动的日益丰富故事的一部分。”

编译自/scitechdaily