Nature子刊：RNA条形码技术揭示了此前未知的病毒-宿主关系

莱斯大学的研究人员近日发现了噬菌体与其细菌宿主之间此前未知的关系，为新一代微生物组改造提供了一种强大的新工具。

这项研究成果发表在《Nature Communications》杂志上。它利用莱斯大学开发的基于RNA的条形码系统，能够从复杂的微生物环境中鉴定哪些细菌从噬菌体中获得遗传物质。

这种方法让研究人员发现了一组此前未报道的的噬菌体P1的细菌宿主，并探究了病毒结构的细微变化如何影响噬菌体可靶向的微生物种类。

通讯作者、莱斯大学副教授Lauren Stadler表示：“在现实世界的微生物群落中，确定哪些噬菌体与哪些宿主相互作用，一直以来都是一个难题。这项研究为我们提供了一种可扩展的方法，可直接观察这些相互作用。”

噬菌体是地球上数量最庞大的生物实体，其数量超过了其他所有的生命形式。它们通过杀死细菌、改变细菌代谢以及在生物体之间转移基因来影响微生物生态系统。

科学家们希望将噬菌体作为抗生素的替代品以及改造微生物组的工具，但传统方法通常需要在实验室中培养细菌，耗时费力，或无法区分仅仅附着在细胞上的病毒和成功转移DNA的病毒。

为了克服这些局限性，莱斯大学的研究人员对其合成生物学平台（RNA可寻址修饰）进行了改造。

此系统利用一种经过改造的核酶（具有催化功能的小分子RNA），在从噬菌体接收DNA后，将独特的“条形码”插入细菌的16S核糖体RNA中。他们随后可通过靶向RNA测序来鉴定受体生物。

“我们让噬菌体在其接触的细胞中留下分子标记，”Stadler说。“这为我们提供了一种灵敏的高通量方法，可以直接在微生物群落中绘制宿主范围。”

研究人员将条形码系统整合到噬菌体P1中，这种病毒已知能在肠道细菌之间转移DNA，被认为有助于抗生素抗性基因的传播。随后，他们在实验室培养的微生物群落以及从一家污水处理厂收集的废水中测试了该方法。

废水实验产生了令人惊讶的结果。从P1获得遗传物质的微生物中包括气单胞菌目的成员，如嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila），这是一种常见的废水细菌，此前从未被认为是P1的宿主。

“在复杂的环境样本中发现一个全新的宿主群体，这充分展现了这种方法的强大之处，”Stadler谈到。“可能还有许多重要的噬菌体-宿主关系仍然不为人所知，仅仅是因为我们缺乏简便易用的观察工具。”

研究人员还利用这项技术探究了不同的病毒尾丝如何影响宿主范围。通过改造带有不同尾丝的噬菌体颗粒并应用RNA条形码系统，他们发现每种尾丝都针对废水微生物群落中的一组特定微生物。

未来，这种方法有望加速工程化噬菌体的开发，用于医学、环境修复和工业生物技术。由于该方法依赖于扩增子测序等常用的分子生物学技术，而非耗时费力的培养方法，因此也能够对不同的微生物组进行大规模的病毒生态学研究。