噬菌体，非正式地称为噬菌体，是可以攻击和杀死特定细菌的病毒。它们出现在自然界的各个角落。正是因为它们只与一种特定类型的细菌相匹配，研究人员和医务人员希望噬菌体能够被设计用于对抗某些细菌感染。例如，食品工业已经使用这些噬菌体通过自然方法破坏食品中的病原体。
然而，基因工程噬菌体为特定应用定制它们仍然是一个非常具有挑战性和耗时的过程。修饰噬菌体以对抗革兰氏阳性细菌如葡萄球菌特别困难。迄今为止，将合成噬菌体基因组整合到革兰氏阳性细菌中是非常成问题的，因为它们的细胞壁很厚。
定制设计噬菌体
然而，在使用噬菌体的过程中，一个新的时代正在曙光中，由苏黎世联邦理工学院食品微生物学教授Martin Loessner领导的一个研究小组刚刚在PNAS期刊上发表了一篇新技术平台。这使科学家能够系统地遗传修饰噬菌体基因组，为它们提供额外的功能，并最终在细菌“替代物” - 细胞壁缺陷的李斯特菌细胞或L-形式中重新激活它们。
新的噬菌体工作台可以非常快速地创建这种病毒，“工具箱”非常模块化：它允许科学家创建几乎任何用于不同目的的噬菌体，具有多种功能。
“以前几乎不可能修改噬菌体的基因组，”Loessner说。最重要的是，这些方法效率很低。例如，基因仅在噬菌体的一小部分中整合到现有基因组中。因此，分离修饰的噬菌体通常就像在大海捞针中寻找针一样。
“过去我们必须筛选数百万噬菌体并选择那些具有所需特征的噬菌体。现在我们能够从头开始制造这些病毒，在合理的时间内对其进行测试，并在必要时再次修改它们，”Loessner强调。
规划计算机上的噬菌体
分子病毒学专家Samuel Kilcher在这一突破中发挥了关键作用：他利用合成生物学方法在绘图板上计划噬菌体的基因组，并将其从DNA片段组装到试管中。同时，新的额外功能被整合到噬菌体基因组中，例如溶解细菌细胞壁的酶。此外，Kilcher能够去除产生噬菌体不需要的特性的基因，例如整合到细菌基因组中或产生细胞毒素。
为了从合成DNA重新激活噬菌体，将基因组引入球形，细胞壁缺陷但存活形式的李斯特菌属细菌(L-型李斯特菌)。基于遗传蓝图，这些细菌细胞然后产生所需噬菌体的所有组分并确保正确组装病毒颗粒。
研究人员还发现，球形李斯特菌细胞不仅能够产生自己的特异性噬菌体，还能够攻击其他细菌。通常，主机仅生成自己的特定病毒。因此，L型李斯特菌适合作为噬菌体的几乎通用的培养箱。
如果然后使李斯特菌细胞达到它们破裂(裂解)的程度，则释放噬菌体并且可以将其分离并繁殖以用于治疗或诊断。
只有毒性噬菌体才适合
“使用有效的合成噬菌体的一个关键先决条件是它们的基因组无法整合到宿主的基因组中，”Kilcher强调说。如果发生这种情况，病毒不再对细菌构成威胁。然而，使用这种新方法，科学家能够简单地重编程这种整合噬菌体，使它们再次成为抗菌应用的有趣之处。
这两位研究人员并不特别担心对噬菌体的潜在抗性。即使有任何例如由于细菌改变其表面结构以防止病毒附着，该新技术使得开发合适的噬菌体成为可能，细菌尚未对其产生抗性。
研究人员还认为，意外释放的危险非常小：因为噬菌体 - 无论是天然的还是合成的 - 都是非常特定宿主的，如果没有寄主，它们就无法存活很长时间。这种高特异性还可以防止噬菌体转变为新的宿主细菌。“适应不同主机的表面结构将需要很长时间，”Loessner说。
接近实际应用
借助这项新技术，Loessner的团队在将合成噬菌体应用于治疗，诊断或食品行业方面取得了巨大进步。因此，科学家们设法克服与使用天然噬菌体相关的限制。“我们的工具箱可以帮助开发噬菌体的潜力，”Loessner说。研究人员申请了他们的技术专利。现在，他们希望找到许可证持有者来生产用于治疗和诊断的噬菌体。