成像技术以前所未有的细节显示噬菌体

Pitt的研究人员制作了迄今为止最详细的噬菌体图像——简称噬菌体——这使他们首次看到了噬菌体直接附着在目标分枝杆菌细胞上的部分的结构组成

Kenneth p.Dietrich艺术与科学学院的Eberly家族生物技术教授Graham Hatfull说：“现在，你有了一个用于进入和设计噬菌体的规格表，这样它们就可以与不同类型的细胞结合。”

这很重要，因为噬菌体是一种病毒，在与细菌细胞结合后会做什么：它刺穿细胞膜上的一个洞，注入自己的DNA，将细菌变成噬菌体工厂

随着抗生素耐药性的上升，在某些情况下，噬菌体是抵抗细菌感染的唯一选择。然而，他们是挑剔的刺客；一种特殊的噬菌体通常只会攻击一种细菌。设计噬菌体来寻找和摧毁特定细菌的能力可能会改变医学游戏规则

这项研究发表在《细胞》杂志上

地球上大约有1031个噬菌体，每粒沙子大约有1万亿个噬菌体，它们已经进化了数十亿年。尽管这段漫长的历史带来了所有的变化，但它们几乎都有相似的组成部分：衣壳、尾管和尾尖

噬菌体衣壳像头一样坐在狭窄的尾管上。出于几个原因，研究人员已经能够捕捉噬菌体衣壳的高分辨率图像有一段时间了

显示断层切片中观察到的特征的片段，包括耻垢分枝杆菌外膜和内膜（绿色箭头）、充满DNA的衣壳（蓝色箭头）和宿主附着的尾部（淡绿色箭头）。然后，视频显示了对切片的扫描，衣壳在堆栈的不同深度出现和消失。图1E所示的区域被放大，可见的衣壳与通过亚同质图平均获得的结构重叠。。来源：Park Lab/Scripps Research“首先，它是巨大的，很容易找到，”Hatfull实验室的研究助理Krista Freeman说。但在低温电子显微镜或低温EM方面，衣壳还有另一个优势，这是这项工作中使用的两种成像技术之一。

衣壳由60个对称部分组成，可以平均在一起以增强信号。使用冷冻EM对噬菌体进行成像实际上需要将来自不同角度的大量图像拼接在一起。由于对称性，需要相对较少的图像来组装足够的信息来拼凑整个衣壳

相比之下，噬菌体身体的其余部分相当小，对称性也较差

“所以你必须更加小心，”弗里曼说。“你必须找到更多的粒子，进行更多的狩猎，并进行更多的手动操作。与获取大结构相比，它的自动化程度要低得多。”

噬菌体是一束缠绕在结构周围并穿过结构的缠结蛋白质。它们不像一个地球仪，它的信息画在表面上，更像是一朵花的雕塑——用Slinkies建造的。在实践中，这意味着需要拍摄数万张噬菌体的图像，所有这些图像都以不同的方式定向，才能拼凑出一张完整的图像

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凭借如此大量的数据和强大的计算能力，Freeman能够重建尾管，也许最诱人的是，重建与细菌结合的尾巴尖端。目前，研究人员不知道为什么特定的噬菌体会攻击特定的细菌菌株。“尾巴尖端是识别细菌细胞的部分，”Hatfull说。“出于这个原因，我们对它特别感兴趣。”

他们的高清图像使他们能够看到以前只被解析为模糊灰度的结构，这表明了电子的密度

弗里曼说：“现在你可以展示这个东西中的每个分子成分了。”。“这真是令人惊叹。”它还揭示了研究人员可以探索的结构信息，以更好地了解噬菌体与其细菌靶标之间的接触点

她说：“发现尾尖结构有多复杂，真是令人惊讶。”。“这是一个由10种不同蛋白质组成的复杂组合。这些蛋白质之间有无数密切的相互作用，使整个结构能够完成发现、结合和感染细菌宿主的复杂工作。”

这些图像是动态的，这要归功于斯克里普斯研究所的Raphael Park和他的同事所做的工作，他们使用了另一种成像技术，冷冻电子断层扫描（cryo-ET），对结合细菌细胞的噬菌体进行成像，突出了整个噬菌体及其附着在细菌细胞表面的位置

在某些图像中，噬菌体的DNA在衣壳内清晰可见，而在其他图像中，它已经穿过细菌的细胞壁。Hatfull说，在这两个步骤之间，噬菌体的结构“存在一些微妙的差异”。这些可能指向DNA被触发离开衣壳的机制，或者它是如何通过尾管运输的

“这些都是新的见解，”Hatfull说。“还有很多问题。”但Hatfull、Freeman和世界各地的研究人员现在可以开始认真考虑开始设计噬菌体来识别不同的细菌。

“以前，我们根本没有机会。现在，这样做将变得完全常规。”