噬菌体是一个缩影：小病毒对大科学的贡献

噬菌体是地球上数量最多的生物，它们影响着地球的整个生态系统。对于人们来说，主要是来自医学界的专家，他们对它们的独特特征很感兴趣——基于噬菌体的药物是对抗危险细菌对抗病毒药物日益增长的耐药性——抗生素耐药性的重要工具。在第一份材料中，将打开一系列关于研究噬菌体的特征和过程的出版物，来自 Rostec 国家公司 Nacimbio 控股公司的专家 Alexander Zharnikov 谈到了噬菌体对现代基础的发展所做的贡献。科学。

今天，任何高中生都至少对基因是什么、DNA是如何排列的、它是如何复制的以及如何从中读取信息有了基本的了解。可以说，现代分子生物学已经能够深入到生命的本质。
然而，很少有人想到科学家是如何了解这一切的。在人类细胞和其他高度组织化的生物体中研究这样的过程是极其困难的。这里我们需要简单的模型系统。在上个世纪，它们变成了噬菌体——寄生于细菌的病毒。
生物学家的隐形助手
噬菌体颗粒具有基本结构：DNA 和蛋白质外壳。它们中的基因很少，它们很容易研究，如果有必要，你可以获得大量的拷贝。正是由于这些微观的“外星人”，以及科学思想的飞跃和一系列优雅的实验，人类体内基因工作的许多细节才为人所知。
在俄罗斯，由于多年的临床实践，噬菌体是众所周知的，主要作为抗菌药物。NPO Microgen 公司（隶属于 Rostec 国家公司的 Nacimbio 控股公司）是世界上唯一一家以工业规模生产它们，投入大量资源进行研究，甚至在俄罗斯创建了第一个生物资源中心。在这种结构的基础上，形成了在俄罗斯流通的噬菌体基金。
突变是随机的吗？
突变会在活细胞中偶然发生，还是需要紫外线、辐射、病毒、毒素或其他因素？今天，这些问题的答案，进入学校课程，曾经是任何科学界名人都无法说出的。
同时，找到答案也极其重要，因为对基因、遗传和进化论的作用的理解都依赖于此。该解决方案于 1943 年由两位才华横溢的美国科学家、微生物学家 Salvador Luria 和生物物理学家 Max Delbrück 于 1943 年发现（当时甚至没有人知道 DNA 是如何工作的！）。由于他们的发现，他们获得了诺贝尔奖，而噬菌体在这方面为他们提供了帮助。
到 1943 年，科学家们已经知道细菌可以通过突变很快对噬菌体产生抗药性。为了解释这一现象，当时的生物学家分为两个阵营。一些人认为噬菌体成为一种“移植物”：它们本身会引起突变，因此细菌会对其后代产生免疫力。其他人则认为，甚至在微生物遇到噬菌体之前，突变就会自发（随机）发生。
当 Luria 和 Delbrück 第一次尝试检验这些假设时，他们感到很失望：细菌的突变发生得如此随机，以至于完全不可能对其进行分类。然后一切都按照一部好莱坞电影的情节发生了。一次意外帮了大忙：有一天，Luria 看着他的同事在老虎机上赢了三美元，并获得了一角硬币的奖金。科学家的脑海中闪过一个联想，他意识到他需要计算具有不同突变的菌落数量。最常发生的突变很可能发生在最早几代的微生物中（阅读：在遇到病毒之前）。
Luria 与 Delbrück 分享了他的猜测，Delbrück 使用了统计数据的所有力量来测试它。突变仅在噬菌体作用下发生的假设已被驳斥。它们不断出现，这意味着复制基因的错误可能是偶然发生的。进化的主引擎从未停止过。
早在上个世纪中叶，捷克僧侣兼生物学家格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）用他着名的豌豆实验证明，生物不会直接从父母那里继承特征。这通过某些底物 - 基因根据某些规律发生。
“生命密码”在哪里？
但什么是基因？科学家们很快意识到，这些神秘的遗传信息守护者位于染色体中。然而，染色体并不是那么简单：它们包含 DNA 和蛋白质。现在看来令人惊讶，但直到上世纪中叶，科学家们才把手掌交给了蛋白质。美国生物学家阿尔弗雷德·赫尔希也持有这样的观点。尽管如此，他还是决定与植物学家马克蔡斯再次核对他的猜测。他们对后来成为传奇的细菌和噬菌体进行了实验。
科学家们知道，噬菌体会附着在宿主细胞上，并向其中注入一些物质——DNA或蛋白质。这种物质成为新噬菌体颗粒合成和组装的指令。为了了解噬菌体究竟将什么引入细菌，研究人员开发了两种噬菌体。有些是在放射性硫同位素 35S 存在下生产的。硫存在于蛋白质中，但不存在于 DNA 中。因此，只有噬菌体颗粒的蛋白质成分被证明是被“标记”的。第二批噬菌体是在放射性磷同位素 32P 的存在下培育的。相反，它只是DNA的一部分。
用不同的噬菌体感染不同的细菌培养物，然后装入搅拌机并充分摇晃以清除游离病毒。然后将样品离心，结果，只有细菌留在底部，在沉淀物中，只有噬菌体残留在肉汤中。当 Hershey 和 Chase 进行分析时，他们发现该细菌所在的沉积物中，存在大量 32P。这意味着噬菌体将 DNA 注入其中。事实证明，“生命密码”一直隐藏在科学家面前。
遗传密码的“字”中有多少个“字母”？
1961年12月30日，一篇题为《蛋白质遗传密码的一般性质》的文章发表在《自然》杂志上，很快成为分子生物学的经典，并被宣布为“生物学中最杰出的着作之一”。随后，其他学者在他们的着作中引用了它900多次。那么，这份出版物的作者——分子生物学家弗朗西斯·克里克、生物学家悉尼·布伦纳和他们的两位同事——是如何给科学界留下如此深刻印象的呢？
到这篇文章发表时，科学家们已经知道 DNA 是由四种含氮碱基（遗传密码的“字母”）组成的，而蛋白质是由 20 种氨基酸组成的。简单的计算表明，只有一个含氮碱基不能编码的氨基酸——这对每个人来说都不够。两个含氮碱基的“词”不够：结果是 16 种不同的组合，仍然少于氨基酸的数量。但是三个“字母”的“字”还是挺合适的。64 种可能的组合超过了所有氨基酸的多样性。理论上这是合乎逻辑的，但实际上没有人能证明这一点。
1961 年，弗朗西斯·克里克及其同事发现了期待已久的证据。科学家们是这样推理的。如果从 DNA 中“剪掉”一个“字母”，那么遗传密码将变得毫无意义，因为整个阅读框架都会发生变化。例如，有一个代码 AAT HCA AAA TCG。让我们从中删除第一个“字母”并获得 ATG CAA AAT CG。也就是说，所有后续的“词”也发生了变化，一个完全不同的基因横空出世。
我们决定在 T4 噬菌体上检验这个假设。他们在一种叫做黄素的化合物的帮助下引起了突变——它只会导致遗传密码的单个“字母”被删除或插入额外的“字母”。事实证明，如果只去除一两个“字母”，基因就会停止工作，读取完全不正确，正因为如此，噬菌体无法再感染细菌。但是如果你一次添加或删除三个“字母”，那么蛋白质的结构几乎不会改变，它仍然有效。因此证明了每个氨基酸是由三个含氮碱基的组合编码的——一个三联体。这一发现对于分子生物学和遗传学的整个后续发展的重要性难以估量。
DNA转运蛋白
1958年，美国遗传学家和生物化学家约书亚·莱德伯格因发现共轭“细菌性”而获得诺贝尔奖。科学家发现细菌细胞之间可以直接交换遗传物质，这在它们的进化中起着重要作用。
Lederberg 在他的实验中使用了大肠杆菌，后来的生物学家 Norton Zinder 继续他的工作。他决定测试结合在沙门氏菌中的作用，沙门氏菌是肠道感染的病原体。Zinder 采用了两种无法合成某些化合物的微生物菌株，并在营养贫乏的培养基中培养它们，甚至使用青霉素。
由于新的突变，只有适者生存。但是这个以前对大肠杆菌有效的技巧对沙门氏菌无效。可能只获得一种菌株，其中突变体似乎能够为自己合成所有必需的物质。
然而，即使是乍看之下的微不足道的成功，也变成了失败。分析表明，新的突变菌株是在没有“细菌性”的情况下获得的。但科学家并没有放弃，继续研究。他们建议，如果共轭与它无关，那么另一种机制必须起作用。事实上，很快就发现了：事实证明，噬菌体被赋予了突变的沙门氏菌基因。
于是在1966年，发现了噬菌体转导。病毒的这种超能力使它们成为遗传物质的极好载体，这在基因工程中非常有用。在噬菌体的帮助下，某种基因可以加载到细菌中，它们将开始产生必要的化合物。
基因的“剪刀”
间接地，噬菌体为现代科学家提供了一种简单、快速、高效的基因编辑方法。没有他，基因工程很难取得如此令人瞩目的成功。这一切都始于 1987 年，当时日本科学家 Yoshizumi Ishino 意外发现了大肠杆菌 DNA 中的奇怪片段，其中重复序列被独特的序列中断。
这些序列不编码任何蛋白质，起初研究人员认为这只不过是“遗传垃圾”。然而，后来在其他细菌中也发现了神秘的序列。它们被称为短回文重复序列，有规律地成簇排列，简称 CRISPR。长期以来，人们认为这是某种受损 DNA 的修复系统（“修复”）。但在 2000 年，人们发现 CRISPR 实际上含有噬菌体基因的片段。于是科学家们意识到细菌有自己的“免疫系统”。
这种防御机制就是这样工作的。在特定的噬菌体进入细菌细胞后，它可以保存病原体的 DNA 片段并将其包含在 CRISPR 中。在该 DNA 的模板上合成一个 RNA 分子。后者在细胞内游动，像一个有方向的警察一样，追踪“熟悉的”噬菌体基因。一旦检测到它们，Cas 核酸酶就会被激活，并从字面上切割病毒 DNA。这种保护系统称为CRISPR-Cas。这有点让人联想到人体内的抗体：它们还能够特异性地识别外来颗粒。
当然，研究细菌和噬菌体之间的军备竞赛很有趣，但 CRISPR-Cas 系统也有实际应用。2012 年，科学家们想出了如何用它来切割任何地方的任何生物体的棱角。事实证明，新方法比以前的方法更快、更有效。CRISPR-Cas 系统现在用于创建转基因生物、生产药物和基因诊断。它还具有治疗镰状细胞性贫血和囊性纤维化等遗传疾病的潜力。