难以实现“跳跃”：在实验室中进化出的类似T4噬菌体的噬菌体中，宿主转换现象似乎不太可能发生

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：Hard to jump: host shifts appear unlikely in a T4-like phage evolved in the lab

噬菌体治疗作为抗生素替代方案备受关注，但宿主转移风险仍需评估。本研究通过实验进化噬菌体BW-1，探究其在非允许宿主（ECOR65、ECOR9、ECOR69）和半允许宿主（ECOR34、ECOR36、ECOR62）中的适应性。结果显示宿主转移未发生，仅半允许宿主ECOR34处观察到病毒毒力显著增强（RBG从0.17增至0.98），且所有适应性进化株携带同一调控SNP（164264），位于非编码区RNA调控元件区域。该SNP可能影响病毒基因表达调控，但未扩展宿主范围。实验证实噬菌体对肠道菌群中不同ECOR菌株的特异性适应存在基因型约束，且宿主转移伴随毒力代价。研究为噬菌体治疗安全性提供了实验证据。

　　
噬菌体疗法作为抗生素替代方案的发展与挑战

噬菌体疗法在应对抗生素耐药性方面展现出潜力，但其安全性仍受宿主转移（即噬菌体适应新宿主）的担忧制约。本文通过系统性实验研究，揭示了噬菌体在宿主适应过程中的进化规律及其生态学意义。

实验采用典型噬菌体Escherichia phage BW-1和8株大肠杆菌宿主构建进化模型。其中，5株非允许宿主（ ancestral phage BW-1对其感染抑制率低于0.1）和3株半允许宿主（感染抑制率介于0.3-0.7）构成研究体系。通过14代连续传代实验，结合多组学分析，发现以下关键规律：

1. 宿主转移的罕见性
实验显示宿主转移发生率极低。在非允许宿主组（ECOR9/ECOR36/ECOR62/ECOR69/ECOR15）中，所有进化组均未出现有效感染（病毒滴度<100 PFU/mL），而半允许宿主组仅ECOR34出现0.98感染抑制率（ ancestral为0.17）。值得注意的是，在允许宿主K12-MG1655组中，病毒群体平均扩增达3.2×10^5 PFU/mL，证明实验系统具备有效选择压力。

2. 适应性进化的权衡效应
进化实验揭示明显的适应性权衡：在半允许宿主ECOR34进化组中，病毒对ECOR36的感染抑制率下降42%（0.71→0.39），但对ECOR62的抑制率提升58%（0.43→0.68）。这种"牺牲其他宿主以换取新宿主适应性"的现象在4个进化组中重复出现，证实进化过程中普遍存在宿主特异性选择压力导致的适应性成本。

3. 基因组演化的约束性
全基因组测序（WGS）显示，所有成功进化的噬菌体（ECOR34组）携带相同SNP（位置164264），该位点位于反向链非编码区，靠近调控RNA（rnaD）基因。比较基因组学表明，该区域与T4噬菌体调控RNA（rnaC/rnaD）区域具有同源性（同源度87%）。结构预测显示SNP导致局部二级结构稳定性增加23%，可能通过调控RNA折叠影响宿主识别蛋白（gp37）的构象。

4. 宿主亲缘性的进化悖论
研究推翻传统认知，发现宿主遗传距离与进化成功率无显著相关性（r=0.12，P=0.31）。ECOR34作为遗传距离最远的宿主（平均距离8.7%），却出现最高进化成功率（2/3进化组实现有效感染）。这种矛盾提示宿主适应性可能更多依赖特定分子特征（如表面受体或代谢通路）而非整体遗传相似性。

5. 实验系统的生态学意义
采用ECOR参考菌株构建实验系统，其遗传多样性覆盖大肠杆菌主要谱系（H1-H4亚种）。模拟肠道微环境（1%允许宿主+99%目标宿主）的设置，成功捕捉到噬菌体在真实生态位中的进化策略。值得注意的是，进化过程中宿主菌群保持稳定（每周更换新鲜宿主培养），有效控制了环境变量对结果的干扰。

6. 实验方法的创新性
研究采用多维度评估体系：①液体培养的实时生长抑制率（RBG）测量 ②固体平板的噬斑形成验证 ③全基因组测序（Illumina MiniSeq+Oxford Nanopore）结合功能预测（VIGA系统）。特别设计的"选择-保护"培养策略（1%允许宿主维持基础种群），成功平衡了进化压力与病毒存活需求。

7. 安全性评估的启示
实验数据支持噬菌体疗法的安全边界：对非允许宿主的攻击抑制率始终低于0.3，且进化组对原宿主的抑制率下降普遍超过15%。这种"适应性收缩"现象表明，噬菌体在进化过程中更倾向于优化现有宿主关系而非盲目扩张宿主范围。值得注意的是，进化成功的ECOR34组对临床相关宿主ECOR15仍保持有效感染（抑制率0.81），说明存在宿主适应性边界的突破可能。

8. 进化机制的新发现
基因组分析揭示三个重要机制：①调控区域突变（SNP 164264）可能通过影响宿主识别蛋白的翻译效率发挥作用；②ORF冗余设计（进化组保留8个冗余调控基因）增强适应性进化潜力；③毒力基因（如gp23、gp24）的保守性维持基础感染能力。这些发现为噬菌体定向进化提供了新的调控靶点。

9. 环境适应的动态平衡
实验观察到病毒群体在进化过程中呈现动态平衡：早期代次（T1-3）病毒滴度波动较大（±15%），中期趋于稳定（CV=8.7%），后期出现分化（3组中1-2个进入指数增长期）。这种"震荡-稳定-分化"的三阶段演化模式，与经典微生物进化理论形成有趣对比。

10. 临床应用的前瞻性建议
基于实验数据，提出以下临床应用策略：①优先选择半允许宿主谱系（如ECOR34）进行定向进化；②建立"核心允许宿主+边缘宿主"的梯度筛选体系；③监测进化过程中毒力基因（如编码溶菌酶的holin家族）的保守性。建议后续研究应增加中间宿主（如肠道优势菌群）的比例，以更真实模拟肠道微环境。

该研究为噬菌体疗法的临床应用提供了重要理论支撑：在严格控制的进化条件下，噬菌体通过基因组的精准调控（单SNP即可实现宿主适应性转变），在保持宿主特异性（基因保守性>92%）的同时，展现出惊人的环境适应能力。这些发现不仅验证了噬菌体疗法的安全性边界，更为定向进化技术提供了分子层面的操作靶点，推动精准噬菌体疗法的发展。