送你一本炒“菜”秘籍 ：“烹”出超级细菌的克星——人工噬菌体

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍因抗生素滥用导致的耐药性现已成为全球公共卫生问题，而噬菌体疗法的出现有助于形成精准针对超级耐药菌的解决方案。

近日，深圳华大生命科学研究院主导开发的 “一锅法” 噬菌体基因组工程平台，突破了基因组合成和激活两大关键技术，并大大简化了步骤、提高了效率、降低了成本，为改造和合成噬菌体铺平了道路。相关研究成果于5月23日发表于期刊Cell Reports Methods。

Cell Reports Methods页面截图

感冒、发烧、咳嗽了？

吃片阿莫西林或者头孢吧。

这种对话时常发生，特别是在有娃的家庭中，上述药物几乎成为了药箱标配。

事实上，引起发炎的因素有很多，如病毒感染、细菌感染、外伤、过敏等等。而抗生素仅针对细菌感染引起的疾病才有效，对由病毒引起的流感等大量疾病是无效的，但仍有许多人在不明病因的情况下用其来“消炎”。

目前，抗生素滥用导致的耐药性成为了一个严重的全球性问题，细菌通过与药物的不断抗争增强了抗药性，未来将出现越来越多对药物“刀枪不入”的 “超级细菌”。而中国作为世界上滥用抗生素最为严重的国家之一，由此造成的细菌耐药性也尤为突出。

噬菌体：强大的“细菌猎手”

现在，应对抗生素耐药性泛滥、抗击耐药菌感染有了一个更有针对性的方案——噬菌体（Bacteriophage）疗法。

噬菌体长得有点“科幻”，形似微型机器人，它广泛存在于我们所处的环境和身体中，能够杀灭细菌这种原核生物，却不会侵袭真核生物，是天然的“细菌猎手”。

噬菌体示意图

噬菌体疗法具有特异性强、种类丰富、副作用少等独特的优势。早在20世纪初，噬菌体就被法国医生德赫雷尔发现并应用于临床治疗痢疾和霍乱。如今，东欧噬菌体疗法应用仍十分普遍，美国、澳大利亚、法国、比利时也已将噬菌体应用于临床治疗，我国以上海市公共卫生临床中心和深圳市第三人民医院为代表也已成功利用噬菌体治愈患者。

以小见大：人工生命体的研究切口

从人类、动物、植物再到细菌，这个世界因为有各式各样的生命而丰富多彩，但你有想过人工生命体吗？

合成生物学就能利用遗传修饰或人工基因合成，来创造新的DNA，甚至创造新的完整生命体，这是现今用于理解生命过程和研发新疗法的重要途径。在噬菌体疗法发展的过程中，人类也通过合成生物学对天然噬菌体进行编辑，或者从头构建人工噬菌体来促进这一疗法的发展。

噬菌体基因组工程概念图

2019年，美国匹兹堡大学的 Rebekah M. Dedrick 等人利用工程噬菌体组成的鸡尾酒疗法缓解了患者术后多耐型脓肿分枝杆菌感染的症状。 2022年，美国科罗拉多大学的Jerry A. Nick等人再次使用工程噬菌体根治了耐药性分歧杆菌肺部感染，从而挽救了一名等待肺移植的年轻囊性纤维化患者。

人工生命体合成需要两个关键步骤：基因组合成和激活。然而，此过程常面临多重挑战，技术涉及多个宿主和平台，不仅费时费力，而且非常昂贵。要进一步开拓这一领域，噬菌体无疑是最佳的研究载体之一。

人工生命体研究发展历程

2003年

克雷格·文特尔研究所（美国）首次实现噬菌体φX174全基因组（5.3 Kb）从头合成和激活。

2008年

克雷格·文特尔研究所（美国）实现生殖道支原体（Mycoplasma genitalium）的全基因组从头合成。

2010-2021年

克雷格·文特尔研究所（美国）实现原核生物丝状支原体（Mycoplasma mycoides）的全基因组以及最小基因组合成与激活，创造了地球上第一个能正常生长、分裂的人工物种。

2011-2017年

中国、美国、英国等国多个研究机构合作实现酿酒酵母2，3，5，6，10，12号这6条人工染色体及9号染色体右臂的从头设计与合成。

2018年

上海生命科学研究院植物生理生态研究所（中国）为首的多家研究机构成功合成出全球首例单条染色体的真核生物酵母菌株。

同日，纽约大学兰贡医疗中心（美国）等研究机构也合并了酿酒酵母菌株染色体，不过最终创造的细胞中染色体有２条。

2019年

剑桥大学MRC分子生物学实验室（英国）通过人工合成、替换的方式，将大肠杆菌全基因组的64个密码子成功缩减为61个，实现全基因组水平最大规模的密码子重编写。

“一锅法”平台：

神奇的工程噬菌体“烹饪”技术

近日，深圳华大生命科学研究院主导开发了 “一锅法” 新型噬菌体基因组工程平台，中国科学院深圳先进技术研究院、中南大学湘雅医院、深圳市第三人民医院团队参与研究，创新性地利用模式菌株为跳板，将重组、筛选、激活多个步骤集中为一体，可一次实现基因组长达156 Kb的噬菌体构建，大大降低了噬菌体基因组工程的门槛和难度、提高了效率和通量，同时降低实验成本与安全风险，为改造和合成噬菌体提供了便利。相关研究成果于5月23日发表于期刊Cell Reports Methods上。

“一锅法”平台（Stepping-stone Host Assisted Phage Engineering，跳板宿主辅助的噬菌体基因组工程，下简称SHAPE）创新性地利用模式菌株为跳板，在得到目标噬菌体的完整基因组后，进一步激活成活性噬菌体颗粒。

SHAPE平台高效将片段化DNA转化为活性噬菌体颗粒

下面，小编来为你介绍科学家们是如何用这口“锅”来做“菜”的~

“一锅法”正如其名，我们需要一口好锅、好的原材料、炊具以及娴熟的烹饪方式，才能烹制出“美味”的“料理”。让我们看看在SHAPE平台中，它们分别对应的内容：跳板宿主扮演了“锅”的角色，并自带激活系统；噬菌体基因组的DNA片段是“菜”的“原料”；而Red同源重组系统和CRISPR/Cas等技术则是做“菜”的“炊具”。

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍在这些基础上，科学家们开发了两种“烹饪”方式，分别为“从头合成‍”和“局部编辑‍”。

通过“从头合成”来烹饪，借助“炊具”Red同源重组系统将“锅”中的多个噬菌体基因片段重组成完整基因组，再利用“锅”的激活系统，将从头组装得到的基因组“烹制”为有活性的噬菌体颗粒。

通过“局部编辑” 来烹饪，借助“炊具”Red同源重组系统将“锅”中的待改造的原始噬菌体基因组与额外的兴趣DNA片段在指定位置进行重组，实现局部编辑，得到改造后的工程化基因组。鉴于重组效率问题，实际情况中，重组后，“锅”中会同时存在原始基因组与工程化基因组，此刻，“炊具”CRIPSPR/Cas介导的筛选系统开始大显神通，其能够准确靶向识别并只切割原始基因组，以反向筛选的方式将工程化基因组精准挑选出并保留。最后，同样再利用“锅”的激活系统，将局部编辑得到的工程化基因组“烹制”为有活性的噬菌体颗粒。

这种“烹饪”方式避免了体内外组装等耗时的工作，也不需要对噬菌体的高毒力天然宿主进行基因操作。既降低了生物安全风险，又能以简便、经济的方式实现基因组组装、编辑、和激活，从而大大提升工程噬菌体的产出效率。

SHAPE平台简摘示意图

当前，此研究构建了可识别稀有密码子的大肠杆菌作为第一代跳板宿主，成功跨属甚至跨目激活了90株噬菌体。这些噬菌体能够靶向侵袭包括肺炎克雷伯菌、肠炎沙门氏菌、绿脓假单胞菌和鲍曼不动杆菌在内的四种临床常见致病菌，这证明使用跳板宿主辅助的噬菌体基因组工程平台具有覆盖面广这一强大优势。

有了“一锅法”平台，将来可以一步实现“片段化DNA进、活性噬菌体颗粒出”，精准定制噬菌体的功能。随着更多跳板宿主的开发，SHAPE平台也将覆盖更多种噬菌体，这有助于抗击多重耐药菌，对细菌感染患者和噬菌体研究人员来说都是一项福音。

本项研究的主要完成方——PhageX团队在肖敏凤博士的带领下致力于以噬菌体为模式生物开展基础至应用的全链条创新研究。该团队在前端已经建立了大规模的一体化噬菌体库，包含千株以上规模的噬菌体活体及数据库和五万组以上的噬菌体-宿主互作表型数据。基于此库，团队持续探寻噬菌体生命现象、规律、和机制。

PhageX团队的研究布局

在方法学上，该团队开发Hunter系列数据挖掘工具以搜寻有潜在应用价值的信息和功能元件。同时还开发基于人工智能和合成生物学交叉融合技术的Maker系列平台以设计合成人工噬菌体，这是噬菌体基因组工程甚至人工生命体的基础。此外，PhageX团队持续关注噬菌体的临床应用，与医院合作进行噬菌体治疗细菌引起的感染和慢病的探索，有望在未来使用噬菌体这一微小但强大的工具来应对公共卫生面临的挑战。

华南理工大学-华大联合培养硕士程丽，深圳华大生命科学研究院邓子卿博士为该论文共同第一作者。深圳华大生命科学研究院肖敏凤博士为论文通讯作者。该项目得到国家重点研发计划合成生物学专项（SQ2018YFA090004-3)等基金的支持。此项研究中，涉及噬菌体及细菌的实验在二级生物安全柜中开展，符合国家标准实验室生物安全通用要求。研究已通过伦理审查，严格遵循相应法规和伦理准则。

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