在COVID-19时代，“病毒”一词让人联想到传染、疾病甚至死亡。但是，如果有一种病毒---一种能够每半小时自我复制数百次的极小病毒---可能能够治愈对所有已知抗生素具有抗药性的严重细菌感染呢？正是这种希望促使美国加州理工学院生化教授Bil Clemons研究这种名为φX174的病毒。
φX174是一种噬菌体：一种感染细菌细胞的病毒。从人类的角度来看，φX174的生活很简单：它找到宿主细菌，停在细菌表面上，将一条DNA链注入细菌细胞，反复复制它的DNA，迫使宿主细胞制造病毒蛋白，将它的DNA和蛋白组装成新的病毒颗粒（噬菌体的拷贝），然后裂开宿主细菌的细胞壁，使得病毒颗粒找到其他宿主进行感染。
在一项新的研究中，Clemons及其研究团队阐明了这种从宿主细胞中逃脱的机制。通过单颗粒电子镜图像，他们发现φX174的E蛋白与宿主细菌的MraY和SlyD蛋白结合形成了一种稳定的复合物---YES复合物。这导致细菌细胞裂解：细菌细胞壁遭受破坏，细菌死亡。相关研究结果发表在2023年7月14日的Science期刊上，论文标题为“The mechanism of the phage-encoded protein antibiotic from ΦX174”。
φX174出现在科学家们的视野中已有约100年的历史。在20世纪初，噬菌体的存在还只是一种理论。英国细菌学家Frederick Twort和魁北克科学家Félix d'Herelle各自根据实验室中细菌培养物的行为推测噬菌体的存在。
有时，当细菌本应在培养皿中大量繁殖时，却会在没有细菌生长的地方出现光亮的斑块。将这些样品通过过滤器，在捕获细菌的同时，也让细菌的微小隐形杀手得以通过。无论成功通过过滤器的是什么东西，它都太小了，无法用显微镜观察到。
1917年在巴黎开展研究工作的d'Herelle提出，这些杀手一定是吃细菌的病毒，并准备对这一理论进行验证。根据城市传说，正如Clemons所描述的那样，d'Herelle反复过滤污水，然后饮用，以确定是否可以安全饮用。他觉得自己毫发无损，于是给他的实验室助手也喝了一口，助手也没有任何变化。
随后，d'Herelle将过滤后的污水给一名病人饮用，这名病人是一名患有严重痢疾、濒临死亡的小男孩。使用这种很可能含有φX174的噬菌体混合物后，该男孩很快恢复了健康。
来自欧洲各地的科学家们来到巴黎与d'Herelle合作。克罗地亚微生物学家Vladimir Serti?在d'Herelle实验室工作了十年。
Serti?和他的助手Nikolai Boulgakov为已知的噬菌体设计了一个分类法。φX174的名字听起来很奇特，在Serti?的分类法中，它的意思只是“靶向多种细菌的噬菌体第十[罗马数字X]系列中的第174种病毒”，属于φ类：靶向多种细菌的噬菌体。噬菌体疗法继续治愈细菌性疾病，但同时也造成了死亡，这可能是因为科学家们还不知道如何纯化噬菌体复制的副产物，比如可能有毒的细菌残骸。
在第二次世界大战的压力下，噬菌体研究和治疗变得支离破碎。对于西方盟国来说，高效青霉素的生产完全压倒了噬菌体疗法，成为细菌感染的唯一解决方案。青霉素是军事机密，不与东方盟国或轴心国共享，因此苏联医生继续使用噬菌体进行治疗，这种做法在前苏联国家一直延续至今。
虽然噬菌体在二战后的几十年里不再受到西方国家医学界的青睐，但是科学家们却对噬菌体情有独钟。φX174虽然只是数十亿种不同类型噬菌体中的一种，但却作为发展中的分子生物学领域的一种有用的实验工具被推到了前沿。
1957年至1977年，加州理工学院生物物理学教授Robert L. Sinsheimer在开发φX174作为模式生物方面发挥了重要作用。他的实验室绘制了φX174的基因组图谱，发现了φX174许多有趣的特征。在1991年的一次口述历史采访中，Sinsheimer讲述了这样一个故事：20世纪50年代初，他邀请加州理工学院生物学教授Max Delbrück到爱荷华州立大学举办了一系列讲座，当时Sinsheimer还在该校任教。Sinsheimer说，“他（Delbrück）的噬菌体研究工作让我们大开眼界。这绝对是光荣的工作。”
在二战前曾在哥廷根大学接受物理学家培训的Delbrück在加州理工学院建立了一支噬菌体研究骨干队伍，并利用噬菌体探索分子遗传学的奥秘。1953年，Sinsheimer在一次为期6个月的休假期间来到加州理工学院，学习如何研究噬菌体。
一天，当他们坐在Delbrück的办公室里讨论如何开展病毒学研究时，两人得出结论：研究最小且可能是最简单的噬菌体对更好地了解病毒结构和复制可能是有益的。Sinsheimer评估了候选噬菌体，最终确定了φX174，并从英国和法国的实验室获得了样品，开始了研究工作。
在φX174的基础上，科学界开始了一连串的第一。在1966年的一篇文章中，Sinsheimer将φX174称为“multum in parvo”：拉丁文的意思是“小中见大”。在20世纪50年代和60年代，φX174不断给科学家们带来惊喜。1959年，在加入加州理工学院两年后，Sinsheimer确定φX174只有一条DNA链，它注入宿主细胞开始复制。鉴于DNA在几年前才被发现具有双螺旋结构，这让人大吃一惊。
1962年，Sinsheimer推测φX174的DNA形状像一个圆环，而这是分子生物学家尚未发现的。1977年，剑桥大学的Frederick Sanger成为第一个完成基因组测序的人，并因此获得1980年诺贝尔化学奖。该基因组属于φX174。这种噬菌体本身是从Sinsheimer那里获得的。
到20世纪70年代末，φX174的大部分生命周期已被充分了解，但仍存在不确定性。据推测，φX174是通过阻断肽聚糖层（所有细菌细胞壁的关键保护屏障）的合成而脱离细菌宿主的。
对于大多数噬菌体，科学家们已经知道它们如何制造专门的酶---细胞内溶素（endolysin），以降解构成肽聚糖层的糖-氨基酸聚合物。但是这些酶的体积太大，无法包含在像φX174这样的微小噬菌体的DNA中。
Clemons解释说，“φX174的基因组非常小。如果要编码一些东西，像溶菌酶一样实现细胞裂解---一种存在于我们的眼泪和唾液中的酶，通过模拟细胞内溶素来阻止细菌感染---那么在φX174基因组上就没有编码其他蛋白的空间了。φX174是一类病毒的一部分，这类病毒太小，无法拥有复杂的裂解机制，因此这些噬菌体必须进化出非常简单的裂解细菌细胞的方法。”
不同的噬菌体和抗生素会在肽聚糖合成过程的不同阶段干扰肽聚糖的合成。φX174的E蛋白靶向MraY，即一种催化肽聚糖前体合成的膜酶。为了完成它的破坏性工作，φX174的E蛋白需要从细菌宿主那里劫持另一种蛋白SlyD。Clemons说，“这是一个谜，因为SlyD没有理由在其中发挥作用。它通常不会与MraY相互作用，它的工作完全不同。然而，不知何故，这个过程需要SlyD。”
这三种物质，一种来自病毒，两种来自宿主，构成了YES复合体：MraY、蛋白E和SlyD。从本质上讲，φX174的E蛋白与MraY缠绕在一起，抑制了MraY的酶活性。SlyD结合并稳定E蛋白和MraY复合物，而不与MraY接触。
这一发现有望帮助科学家们实现噬菌体作为抗生素疗法的最初承诺。在过去的一个世纪里，抗生素挽救了无数人的生命，但新抗生素类型的发明却跟不上细菌产生抗药性的能力。
细菌也会通过突变来抵抗噬菌体，但噬菌体与药物抗生素不同，抗生素需要大量人力物力来改进其结构，而噬菌体本身却可以突变，从而抵御新的细菌防御措施。人类体内的噬菌体数量巨大，多达数百万亿个。Clemons和这一领域的其他研究人员希望，在正确的时间调动正确的噬菌体来解决细菌感染问题，可能能够开发出一种新的、更持久的抗生素，而这正是我们在面对抗生素耐药细菌时日益需要的。
参考资料：
1. Anna K. Orta et al. The mechanism of the phage-encoded protein antibiotic from ΦX174. Science, 2023, doi:10.1126/science.adg9091.
2. The Little Phage That Could
https://www.caltech.edu/about/news/little-phage-that-could
