普遍觀點(diǎn)認(rèn)為,宿主的運(yùn)動(dòng)會(huì)加速病毒的傳播。但也有生態(tài)學(xué)研究表明,宿主的運(yùn)動(dòng)對(duì)病毒傳播起到抑制作用,北美帝王蝶就是一個(gè)典型例證。觀察顯示,那些進(jìn)行長(zhǎng)距離遷徙的帝王蝶相較于不遷徙的同類,感染寄生蟲病的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低?;谶@一現(xiàn)象,生態(tài)學(xué)家提出了“遷徙淘汰”假說,認(rèn)為遷徙行為有助于淘汰掉病毒感染者從而維持群體健康。
自然界中遷徙行為到底是增強(qiáng)還是抑制病毒傳播,其背后的機(jī)制尚不清晰。在哪些條件下,宿主運(yùn)動(dòng)能夠抑制病毒的傳播?如果運(yùn)動(dòng)真能有效抑制病毒的傳播,是否宿主跑得夠快,就能淘汰、清除病毒呢?
12月3日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所傅雄飛團(tuán)隊(duì)在PNAS上發(fā)表最新研究成果,通過定量合成生物學(xué)手段構(gòu)建了一個(gè)宿主-病毒共遷徙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)了宿主在無方向型空間擴(kuò)張遷徙(unguided range expansion)條件下,宿主運(yùn)動(dòng)將促進(jìn)病毒傳播;然而,在有方向型空間擴(kuò)張遷徙運(yùn)動(dòng)中(navigated range expansion),宿主運(yùn)動(dòng)可以抑制病毒傳播,從而解釋了以往人們對(duì)宿主運(yùn)動(dòng)對(duì)病毒傳播存在兩種截然相反觀點(diǎn)的原因,并且揭示了“遷徙淘汰”的機(jī)制:在有方向型的空間擴(kuò)張遷徙中,未被感染的宿主處于遷徙擴(kuò)張前沿(front)的前端,而病毒感染者處于后方位置,這種空間位置的有序分布(spatial sorting)導(dǎo)致了病毒感染者更容易被淘汰出去。
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巧妙構(gòu)建可定量、調(diào)控的細(xì)菌-噬菌體共遷徙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
研究人員巧妙利用實(shí)驗(yàn)室中常見的細(xì)菌——大腸桿菌,及其病毒——M13噬菌體,利用合成生物學(xué)手段構(gòu)建了細(xì)菌-噬菌體共遷徙的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了宿主運(yùn)動(dòng)性和病毒侵染能力等系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的定量調(diào)控,突破了傳統(tǒng)生態(tài)研究手段的局限。
研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)菌被敲除了趨化基因后,只能依靠自身生長(zhǎng)和無序隨機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行“無方向型空間擴(kuò)張”,其遷移速度越快,噬菌體傳播越廣;相反,野生型的細(xì)菌擁有趨化基因,能通過化學(xué)引導(dǎo)進(jìn)行“定向型空間擴(kuò)張”,隨著遷移速度的提高,噬菌體的傳播范圍反而越?。▓D1)。
圖 1 (A)細(xì)菌-噬菌體空間上的共傳播形成一個(gè)扇形感染區(qū)。(B)無方向型空間擴(kuò)張和(C)定向型空間擴(kuò)張下細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)性和病毒傳播的關(guān)系
結(jié)論顯示,細(xì)菌的趨化運(yùn)動(dòng)是抑制病毒傳播的關(guān)鍵。細(xì)菌的趨化運(yùn)動(dòng)速度越快,病毒傳播范圍越小,甚至感染病毒的個(gè)體能從整個(gè)遷徙群體中清除出去,即出現(xiàn)了生物遷徙與病毒傳播之間的“遷徙淘汰”現(xiàn)象。
論文第一作者、深圳先進(jìn)院合成所助理研究員張易博士指出:過去針對(duì)病毒傳播時(shí)空動(dòng)力學(xué)的研究主要依賴流行病學(xué)調(diào)研等,大多數(shù)基于經(jīng)驗(yàn)性理論,缺乏實(shí)驗(yàn)體系的驗(yàn)證。該研究借助合成生物學(xué)手段構(gòu)建了宿主-病毒互相作用的微生態(tài)系統(tǒng),利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)及指導(dǎo)實(shí)驗(yàn),深入理解了病毒隨宿主空間傳播的特征,為其他病毒傳播問題提供了新思路和新實(shí)驗(yàn)手段。
借助定量合成生物學(xué)手段驗(yàn)證:基于構(gòu)建的細(xì)菌-噬菌體空間互相作用的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果,作者借助合成生物學(xué)手段,對(duì)宿主細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)行為以及噬菌體的侵染繁殖行為進(jìn)行調(diào)控(圖2A),從而證實(shí)了細(xì)菌的趨化運(yùn)動(dòng)速度抑制病毒傳播,并在運(yùn)動(dòng)速度比較高的情況下發(fā)生病毒從共傳播狀態(tài)到“遷徙淘汰”狀態(tài)的相變現(xiàn)象(圖2B)。
圖2 (A)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)行為和噬菌體繁殖能力可定量調(diào)控的菌株設(shè)計(jì)原理圖。(B)不同遷移速度和噬菌體繁殖能力下的菌株“遷徙淘汰”相變圖。(C)“遷徙淘汰”的空間分選機(jī)制及(D)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)菌群體在趨化作用下向外擴(kuò)張時(shí),會(huì)形成一個(gè)細(xì)菌數(shù)量恒定的前鋒營(yíng),其通過細(xì)菌自我繁殖時(shí)同步淘汰掉位于后方的個(gè)體來實(shí)現(xiàn)。模型預(yù)測(cè)顯示,由于病毒無法自主移動(dòng),不可運(yùn)動(dòng)的噬菌體總是落后于可運(yùn)動(dòng)的細(xì)菌,因此,前鋒營(yíng)中健康細(xì)菌位于前端,而感染者則位于后端并被淘汰。隨著前鋒營(yíng)運(yùn)動(dòng)速度的加快,淘汰速度也相應(yīng)加快,導(dǎo)致感染者從群體中被清除(圖2C),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)制假說(圖2D)。
這也意味著,細(xì)菌毫無方向地“亂跑”對(duì)淘汰病毒是沒有意義的,只有在有方向性的空間擴(kuò)張下、宿主跑得夠快才能實(shí)現(xiàn)“淘汰病毒”。該研究通過闡明宿主運(yùn)動(dòng)與病毒傳播之間的復(fù)雜聯(lián)系,為探討自然界更廣泛的病毒傳播問題提供了新的實(shí)驗(yàn)?zāi)P秃屠碚摶A(chǔ),將有助于在流行病學(xué)背景下更好地理解傳染病的防控。
通訊作者傅雄飛研究員指出:研究通過在分子層面定量調(diào)控了細(xì)菌遷移速度和噬菌體侵染能力,結(jié)合數(shù)理模型,揭示了在定向空間擴(kuò)張宿主與病毒共遷移系統(tǒng)的時(shí)空有序結(jié)構(gòu),從而解釋了群體層面生物的“遷徙淘汰”機(jī)制,實(shí)踐了定量合成生物學(xué)“造物致知”的理念。同時(shí),研究也為物理學(xué)、定量生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和傳染病學(xué)等多學(xué)科的交叉融合提供了示范。
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