细菌使用令人惊讶的反导弹防御系统来抵御病毒

想象一下，一座城市不断受到入侵者的威胁。该市的防御系统部署了一种复杂的反导防御机制，在威胁造成伤害之前将其中和。在微观世界中，细菌面临着类似的情况。对于每一种细菌，无论是好的还是坏的，都有大约10种病毒，也称为“噬菌体”或简称“噬菌体”。每种病毒都是专门为渗透细菌而设计的，会导致我们的良性细菌感染，并可能导致恶性细菌的抗生素耐药性。现在，哥本哈根大学最近发表在《自然》杂志上的一项研究揭示了细菌如何使用一种名为Zorya的防御机制来保护自己免受病毒攻击。该系统在病毒复制之前检测并降解病毒DNA，就像城市的防御系统拦截来袭的导弹一样

“许多抗噬菌体防御系统会导致细胞死亡，这意味着细胞会自我消灭并牺牲自己，以防止病毒传播到其姐妹细胞。令人惊讶的是，我们发现Zorya在治疗感染的同时保持细胞完整——显然，这对细胞来说非常强大，因为它确保了细胞的存活，”该研究的通讯作者、诺和诺德基金会蛋白质研究中心副教授兼组长Nicholas Taylor解释道

这项研究是在德国柏林洪堡大学、新西兰奥塔哥大学、瑞士苏黎世联邦理工学院和英国牛津大学的研究人员的大力帮助下进行的

补充视频1和2描述了表达空载体或EcZorI的细胞暴露于Bas24-MOI 5 5分钟，随后被点在1.2%琼脂糖垫上（1:5-LB:MQ）。时间推移旁边的图表描绘了与第一个时间点（t=0）相关的细胞总细胞面积集。来源：《自然》（2024）。DOI:10.1038/41586-024-08493-8新疗法的前景

该研究显示了细菌如何调整其分子机制来抵御威胁，对医学和生物技术具有潜在影响

Taylor说：“揭示Zorya抗噬菌体防御系统的机制，并证明其在感染早期检测和对抗噬菌体的能力，是理解这种新型防御机制的重大进展。”

Taylor说，这一发现不仅加深了我们对细菌防御的理解，而且为对抗抗生素耐药性感染的新疗法和人工抗病毒系统的开发带来了希望

这些发现也可能导致未来的应用，例如设计可以阻断恶性细菌防御系统的药物/抑制剂，从而改善临床噬菌体治疗。这在对抗抗生素耐药性的斗争中特别有趣

第一作者Haidai Hu说：“此外，我们的研究结果可能会激发人工抗病毒防御系统的发展，该系统可以检测病毒感染。”

为了了解Zorya防御系统的工作原理，研究人员使用了多种先进技术，包括冷冻电子显微镜，它有助于观察非常小的结构，诱变，意味着改变基因以研究其功能，以及荧光显微镜，它使用发光标记来观察细胞内部。他们还利用了蛋白质组学和其他功能研究，蛋白质组学正在大规模研究蛋白质

“我们将组成Zorya系统的基因——ZorAB、ZorC和ZorD——插入到没有这种防御系统的细菌中。当这些经过修饰的细菌暴露在各种病毒中时，它们表现出很强的抗感染保护作用。这意味着Zorya系统可以直接对抗病毒，而不会杀死细菌细胞，”Taylor说

“使用冷冻电子显微镜，我们非常详细地研究了ZorAB复合物的结构。我们发现它的工作原理就像一个由质子驱动的微型马达。这个马达帮助细菌检测病毒攻击，并发送信号激活Zorya系统的其他部分。然后这些部分分解病毒DNA，阻止病毒传播。”

这项研究代表了我们对细菌防御机制的理解取得了重大进展。未来的研究可能会集中在进一步阐明Zorya系统的分子细节，并探索其在医学和生物技术中的潜在应用 More information: Haidai Hu et al, Structure and mechanism of the Zorya anti-phage defense system, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08493-8