共进化噬菌体驯化通过尾丝蛋白突变拓展宿主范围：铜绿假单胞菌裂解性噬菌体pap17的机制研究

为解决抗生素耐药性铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）感染的临床难题，研究人员通过单宿主和双宿主共进化实验驯化裂解性噬菌体pap17，发现其通过尾丝蛋白（D78G/A/N/V和E121K/A突变）获得宿主范围扩展能力，同时保持对原始宿主的感染性。该研究为针对多重耐药菌株的噬菌体疗法提供了可编程的进化策略。

　　

研究背景与意义

抗生素耐药性危机中，多重耐药铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的流行已成为全球公共卫生挑战。这类"超级细菌"对碳青霉烯类等最后防线抗生素产生耐药性，世界卫生组织（WHO）将其列为重点防控病原体。噬菌体疗法因其精准靶向特性重获关注，但天然噬菌体的窄宿主范围限制了临床应用。如何突破宿主限制，同时避免细菌耐药性演化，成为关键科学问题。

研究方法与技术路线

研究团队从深圳第三人民医院污水样本中分离出裂解性噬菌体pap17，通过透射电镜（TEM）和全基因组测序（Illumina HiSeq平台）鉴定其形态与基因组特征。针对154株临床分离株（含呼吸道、烧伤创面等来源）筛选出11株非宿主菌，构建单宿主（仅非宿主菌）和双宿主（PAO1+非宿主菌）共进化系统，进行5代定向驯化。采用双层琼脂斑块试验（double-layer agar assay）量化噬菌体效价，通过SNP分析（Snippy v4.3.6）追踪尾丝蛋白基因突变，并利用基因敲除菌株（ΔpilA/ΔfliC等）验证受体类型。

研究结果

1. 1.

   噬菌体特性与基因组特征

   噬菌体pap17属Autographiviridae科，具60 nm正二十面体头部和15 nm尾部（图1C），基因组117,672 bp含136个CDS（编码序列）。其对154株临床菌株感染率达48.7%（75/154），在pH 4-12和≤60°C条件下保持稳定（图1D-E）。

2. 2.

   宿主范围扩展的进化机制

   双宿主系统（PAO1+WK127）驯化产生的pap17-p127噬菌体新增感染15株临床菌（图5A-B），其一步生长曲线显示在WK127上爆发量达3×10⁹ PFU/mL（图5D）。全基因组分析揭示尾丝蛋白关键位点突变：早期进化（1-2代）出现D43A、Q119R等单突变，后期（5代）积累D78G/A/N/V+E121K/A双突变（图6A）。携带双突变的噬菌体对非宿主菌感染效率（EOP）提升10²-10³倍（图6B）。

3. 3.

   受体特异性保留

   进化后噬菌体仍依赖IV型菌毛（type IV pilus）受体，对ΔpilA突变株完全丧失感染性，但对LPS（脂多糖）和鞭毛突变株保持活性（图S2），表明宿主扩展不伴随受体转换。

结论与展望

该研究首次证实铜绿假单胞菌噬菌体可通过尾丝蛋白定向进化突破宿主限制，且双宿主系统比单宿主系统更易诱发广谱突变。进化噬菌体在扩展宿主范围的同时，维持原始感染能力和环境稳定性，解决了噬菌体疗法中"特异性与广谱性不可兼得"的悖论。论文发表于《Microbiological Research》，为临床应对CRPA（碳青霉烯耐药铜绿假单胞菌）感染提供了可设计的生物武器。未来研究需解析尾丝蛋白-受体互作结构，并验证体内治疗有效性。