受大自然启发的病毒形成活的“向日葵”来对抗疾病

麦克马斯特大学的研究人员发现，在特定条件下处理的噬菌体形成了花状结构，可以高效地靶向细菌，为疾病的治疗和检测开辟了新的可能性。

麦克马斯特大学的一组研究人员经常研究噬菌体 —— 一种以细菌为食的病毒 —— 在准备载玻片时，在高倍显微镜下观察，他们有了一个了不起的发现。

在处理噬菌体样本并在电子显微镜下观察它们的活体后，研究人员惊讶地发现它们已经形成了类似向日葵的三维形状，但直径只有十分之二毫米。

在一点提示下，大自然产生了该领域的专家们几十年来一直试图人工制造的那种结构 —— 在寻找难以捉摸的细菌目标方面，这种结构被证明比没有连接的噬菌体效率高100倍。

根据研究人员的说法，创造这种结构的能力为检测和治疗多种形式的疾病开辟了可能性，所有这些疾病都使用天然材料和工艺。

他们的研究结果详细发表在《高级功能材料》杂志上。

揭示独特的病毒形式

最初的发现是在日常实验室工作中偶然发现的。

主要作者田磊和他的同事们选择用高压二氧化碳处理噬菌体，而不是将样品噬菌体暴露在典型的制备过程中，这些过程涉及杀死病毒的温度或溶剂。田磊现在是中国东南大学的首席研究员，他在攻读博士学位期间领导了这项研究，后来在麦克马斯特大学担任博士后研究员。

虽然研究人员习惯于看到微小的病毒做出惊人的事情，但在治疗后，他们惊讶地发现噬菌体以如此复杂、自然和非常有用的形式聚集在一起。

“我们试图保护这种有益病毒的结构，”田磊说。“这是我们试图克服的技术挑战。我们得到的是这个神奇的结构，它是由大自然自己创造的。”

研究人员利用位于麦克马斯特的加拿大电子显微镜中心的设备拍摄了这些结构的图像，并在过去的两年里解开了这个过程，并展示了这种新结构如何在科学和医学上发挥非常有用的作用。

“这是一个偶然的发现，”该论文的通讯作者Tohid Didar说，他是一名机械工程师，担任加拿大纳米生物材料研究主席。“当我们把它们从高压室里拿出来，看到这些美丽的花朵时，我们完全惊呆了。我们花了两年的时间才发现这种情况是如何发生的，为什么会发生，并为用其他蛋白质基材料创造类似的结构打开了大门。”

利用噬菌体潜能

近年来，资深作者Zeinab Hosseinidoust实验室的研究人员在噬菌体研究方面取得了重大进展，他是一名化学和生物医学工程师，担任加拿大噬菌体生物工程研究主席。通过促使有益的病毒像活的微观织物一样连接在一起，甚至形成肉眼可见的凝胶，为噬菌体的应用开辟了新的前景，特别是在检测和对抗感染方面。

然而，在最近的发现之前，它不可能给出这种材料的形状和深度，而现在它通过花朵状结构的褶皱、峰顶和裂缝得到了这些形状和深度。

Hosseinidoust说：“这真的是关于与自然的建筑。”“这种美丽的褶皱结构在自然界中无处不在。几十年来，这种结构的机械、光学和生物特性一直激励着工程师们人工建造这种结构，希望能从中获得同样的特性。”

现在他们已经触发了这样的转化，并成功地复制了这个过程，研究人员对噬菌体通过结合在一起并以这种形式实现的集体效率感到惊讶，他们正在探索使用相同特性的方法。

即使在复杂的环境中，多孔的花状噬菌体结构在寻找分散的、扩散的靶标方面也比未连接的噬菌体结构好100倍，作者通过将它们与传染病研究中的同事创建的DNA酶混合，并使用花状结构在商业冷却塔的水中寻找低浓度的军团菌，证明了这一事实。

噬菌体正重新成为多种感染的治疗方法，因为它们可以被编程为针对特定细菌，而不影响其他细菌。

自上世纪中叶引入青霉素以来，该领域的工作有所下降，但随着抗菌药物耐药性继续削弱现有抗生素的有效性，包括麦克马斯特研究人员在内的工程师和科学家正在重新将注意力转向青霉素。

导致它们连接成花朵形状的过程的发现，可以增强它们已经令人印象深刻的性能，不仅可以发现和杀死目标细菌，还可以充当其他有益微生物和材料的支架。

“大自然是如此强大、如此聪明。作为工程师，我们的工作就是了解它的工作原理，这样我们就可以利用这样的流程并将它们投入使用，”Hosseinidoust说。 “可能性是无限的，因为现在我们可以使用生物积木来制造结构。”

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