国际空间站揭示噬菌体在太空环境中的奇异进化路径

在近乎失重的微重力环境中，专门感染细菌的病毒依然能够正常“开战”，但这场病毒与细菌之间的较量在太空中呈现出与地球截然不同的进化轨迹。 一项在国际空间站上开展的新实验显示，感染大肠杆菌的噬菌体在轨道环境中依旧可以成功完成感染过程，但病毒与宿主之间的互动方式发生了明显改变，这为未来改进地球上的病毒疗法提供了重要线索。 相关研究由美国威斯康星大学麦迪逊分校的Phil Huss团队主导，并于1月13日发表在开放获取期刊PLOS Biology上。

在微生物生态系统中，噬菌体与细菌之间的关系常被视作一场持续进行的“进化军备竞赛”：细菌不断演化防御机制，而噬菌体则持续进化反制手段。 在地球正常重力环境下，这种博弈已被广泛研究，但微重力不仅会改变细菌本身的生理行为，还会影响病毒与宿主细胞之间的物理接触频率，从而可能彻底改写感染过程的节奏和路径。 目前，人类对这种在太空中上演的“病毒—细菌关系”仍知之甚少，因此研究团队设计了对照实验，以期弄清微重力如何重塑这一微观生态。

研究人员选用了经典的大肠杆菌噬菌体T7，将一组受感染的大肠杆菌留在地面培养，另一组则送往国际空间站，在近失重条件下同步生长。 实验结果表明，在空间站环境中，T7噬菌体仍然可以感染大肠杆菌，只是感染启动过程明显更加缓慢。 随后的基因测序分析显示，来自太空样本的病毒和细菌在突变模式上均与地面对照组存在清晰差异，显示出各自独特的进化路径。

具体来看，轨道环境中的T7噬菌体积累了多处特定的遗传改变，这些变化被认为有助于其更高效地识别并附着在细菌表面的受体上，从而提高感染效率。 与此同时，处于微重力环境下的大肠杆菌也出现了一系列突变，这些改变可能增强其抵御噬菌体攻击的能力，并提升其在近失重条件中的存活适应性。 这表明，在太空这种极端环境中，病毒与细菌双方都沿着不同于地球的轨迹，加速进行各自的适应性进化。

为进一步剖析这些变化的分子基础，研究团队利用“深度突变扫描”（deep mutational scanning）技术，对T7噬菌体的受体结合蛋白进行了系统分析。 这一关键蛋白直接决定了噬菌体能否识别并侵入宿主细菌细胞，其氨基酸序列的微小改动都可能显著影响感染谱和感染效率。 深度突变扫描结果揭示了空间站样本与地面样本在该蛋白上的一系列差异突变，而这些“太空关联突变”后续在地球实验中被证实可改变噬菌体对不同细菌菌株的攻击能力。

在地面开展的后续功能实验表明，携带这些太空环境中形成突变的T7噬菌体，对某些引发人类尿路感染的大肠杆菌菌株表现出更强的杀伤效果。 这些目标菌株原本对普通T7噬菌体具有天然耐受性，但在“太空进化版”噬菌体面前却显得更加脆弱。 这一发现提示，借助太空环境所诱导的特殊进化变化，有望为噬菌体疗法开辟新的应用方向，特别是在对付难治的耐药性病原体方面。

研究指出，在国际空间站开展噬菌体相关实验，不仅对未来长期载人航天和空间站健康管理具有直接意义，也为地面抗感染治疗提供了全新的思路与工具库。 与传统在地球实验室内进行的进化实验相比，太空微重力环境可迫使病毒与细菌系统性地走上一条不同的适应之路，从而暴露出在常规条件下难以观察到的生物学机制与靶点。 作者在论文中总结称，太空从根本上改变了噬菌体与细菌之间的互动：感染过程被减缓，而双方的进化轨迹也与地球截然不同。

通过解析这些由太空驱动的适应性变化，研究人员不仅获得了关于病毒与细菌共进化的新见解，还据此工程化出在地球上对耐药病原体具有“显著更强活性”的噬菌体候选物。 这一成果展示了将太空作为“天然进化实验室”的潜力，也预示着未来可以通过太空实验与地面工程技术的结合，加速开发新一代精准、高效的噬菌体治疗手段，用于应对全球日益严峻的耐药性细菌威胁。

编译自/ScitechDaily