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“腸·道”是由熱心腸研究院錄制的類TED演講節目，本文為第七期第七位演講嘉賓馬迎飛的演講內容，視頻請觀看：腸·道 | 馬迎飛：讓腸道噬菌體研究不再小眾，4大魅力深深吸引我！ 引言：什么是噬菌體，它們有什么功能，腸道噬菌體有什么特征，噬菌體療法有什么優勢和挑戰，真的可以合成噬菌體嗎？ 演講者介紹 馬迎飛中國科學院深圳先進技術研究院研究員；熱心腸智庫專家 2009年畢業于中科院微生物研究所，并于同年進入加利福尼亞大學Scripps海洋研究所進行博士后研究，曾任紐約大學醫學院人類微生物基因組課題組成員之一。現任中國科學院深圳先進技術研究院研究員。 圖文實錄 非常感謝熱心腸先生，讓我能夠有機會和大家分享一點知識。今天我帶給大家的知識是關于The Thing，中文意思就是說“東西”。 到底是什么樣的東西呢？ 這個東西在整個環境里無處不在，數量非常巨大；這個東西的結構非常簡單，體積非常的小；這個東西在整個分子生物學的發展史上，具有一個非常重要的地位；這個東西我們稱為生物界的暗物質——噬菌體。 今天我就帶大家來探索人體微生物組中的暗物質——噬菌體的前世今生。 我是馬迎飛，來自中國科學院深圳先進技術研究院。 噬菌體是專一感染細菌的病毒，它和細菌在自然環境里共同存在、共同進化，然后影響著整個生態環境里的功能。 噬菌體是怎么發現的呢？ 在19世紀初期，有一個歐洲的科學家去印度考察時，發現一個非常奇怪的現象。就是在恒河里面漂流著大量的尸體——動物的尸體和人的尸體，但是周圍的人又以恒河作為水源，居然沒有發生大規模的霍亂疫情的爆發。 這是怎么回事呢？ 他就用過濾過的恒河的水來培養霍亂弧菌，發現居然可以抑制霍亂弧菌的生長，所以他就提出，在恒河水里可能有一種因子或者東西可以控制霍亂弧菌的發生。 到了1915年的時候，有兩位科學家通過平板培養的方法，第一次觀察到了這個過程，就是這個東西可以在平板上特異地去裂解并殺死細菌，這在平板上就體現為出現有很清亮的噬菌斑。 直到電鏡發明以后，我們才第一次直觀地感受到了這個東西它具體是什么樣子。 我們這個圖里有幾個例子，分別是感染大腸桿菌的 T4、λ、T7、M13還有Phi X 174這幾種噬菌體，可以看到它的外形多種多樣。 但是前三個噬菌體有一個共同的特征，就是有一個尾巴，雖然長短不一樣，我們稱為有尾噬菌體。 在自然界里，這類噬菌體據估計可以占到所有噬菌體的90%以上，是一類主要的噬菌體。 我們整個地球上生物圈里的噬菌體的數量，估計是在1030-31個，那么我們可以觀測到的整個宇宙中的星星的數量，據估計可以在1028-30個。 所以，整個地球上的噬菌體的數量，要比整個宇宙中的星星的數量還要多。 那么這么大量的噬菌體在整個地球生物圈里，起到一個什么樣的作用？ 第一個作用就是它可以促進基因的交流。噬菌體通過感染細菌，可以整合到細菌的基因組上去，從而賦予細菌一些特異的表型。 比如說我們知道大腸桿菌O157，它是一個很有名的致病菌，它的致病性就是來源于感染它的一株噬菌體攜帶有一個致病基因。 噬菌體的第二個功能就是維持微生物的多樣性。 在整個地球生物圈里，如果某一個物種的數量變超級多，失控之后很容易就在這個物種之間發生瘟疫。 如果在一個細菌的種群里，某一種細菌的數量突然爆發性的增長，那么它對應的噬菌體就會特異地侵染并殺死這一類細菌，從而讓整個細菌的種群回歸到平衡的狀態。 這個理論在生態學上叫Kill the Winner。
噬菌體在整個地球生物圈里，它還參加地球的物質循環。 在海洋里有一類很重要的細菌——藍細菌。它是地球最重要的一種初級生產力，它通過光合作用可以吸收二氧化碳轉化成葡萄糖。 那么在海洋里，50%左右的這種藍細菌最終的歸宿是被它對應的噬菌體裂解，然后把它細胞的內容物釋放到整個海洋環境里，為周圍的一些微生物或者生物系統提供營養元素。
噬菌體也是人體微生物組的一個很重要的組成部分。 人體微生物組的研究的熱度越來越高，但是其中大部分的文章都是關于細菌組的研究，我們大部分的研究其實都忽略了噬菌體組在里面的作用。
每個人的腸道里差不多含有1014個腸道的細菌，但是它的噬菌體居然有1015-16個，要比細菌的數量多到1-2個數量級。 目前來講，在公共數據庫里，關于噬菌體的全基因組的數據有的不超過1萬株，而一個人的腸道里面就有1015-16個，所以我們對于噬菌體的認識還遠遠遠遠的缺乏。 所以噬菌體被稱為生物界的暗物質。
噬菌體研究有幾個難點。 第一個難，就是培養難。噬菌體是嚴格依賴于宿主的一類病毒，所以只有得到它的宿主之后，我們才可以培養、獲得這種噬菌體。 自然界里還是有差不多超過99%的細菌都沒有培養出來，那么很可能就是整個自然界里有99.999%以上的噬菌體我們仍然沒有看到，或者沒有培養出來。 那么我們是不是可以通過高通量宏基因組——非培養的方法來獲得噬菌體的基因組序列呢？ 當然是可以的，但是我們難的是鑒定。怎么樣從復雜的宏基因組數據里把噬菌體鑒定出來，這個是非常困難的。
目前來講，病毒的宏基因組測序的研究主要有兩種策略。 第一個策略就是，我就不管它里邊有什么生物，我就直接從糞便里提取DNA，然后去進行宏基因組測序，最后這里面據推測有17%的DNA序列是來自于噬菌體。 另外一種，我們就是直接從糞便里通過過濾的方法、離心的方法來首先純化、獲得噬菌體的顆粒，然后去提取它的DNA，然后再做宏基因組測序。這種方法的缺點是什么呢？我們丟掉了很多細菌的信息。 前一種方法里，所有的生物的信息都在里面。我們可以通過分析宏基因組的信息來鑒定噬菌體，以及它們在這個體系里面的作用到底是什么。
我們總結一下，有哪些方法可以從宏基因組數據里鑒定噬菌體的序列。第一個，就是依賴于已知的噬菌體和噬菌體的標志功能基因。 我們知道噬菌體有它的特殊的結構，比如說它有一個很漂亮的蛋白質外殼，這些蛋白質的結構都是噬菌體特有的。 那么我們可以通過特異地去識別編碼這些蛋白的基因是不是在這個序列上，來判定這個序列是不是來自于噬菌體的基因組。
第二個方法，與我們知道的CRISPR有關。它是一種在細菌基因組上的結構，用來抵抗外源DNA，包括噬菌體或者質粒的感染。 在CRISPR結構上有一類Spacers序列，就是來源于外源的噬菌體的序列或者是質粒的序列。 那么我們可以通過鑒定CRISPR的結構找到它的Spacers序列，然后通過Spacers序列，來從復雜的宏基因組數據里去調出來攜帶有這一段序列的可能的噬菌體的基因組，這是第二種方法。
現在有一些人依據深度學習的方法，開發了很多的軟件或者算法，從復雜的宏基因組數據里來鑒定噬菌體的序列。 那這些方法到目前為止還都不是很完美，但是也是一個很有效的思路。
我們看到，當前人體噬菌體組的研究還遠遠的不夠。 這是我在公共數據庫Pubmed里用Human Virome或者Human Phage作為關鍵詞，搜索得到的每一年的文章的數量。 人體噬菌體組相關的文章在2018年才不超過100篇，而相對應的人體微生物組的研究要遠遠超過這個數量，差不多每年有近萬篇的文章出現。
根據以上這些已經發表的人體噬菌體組的一些文章，我們可以總結一下人體腸道噬菌體組的一些特征。 第一個特征就是，在人體腸道里和開放環境里噬菌體組的組成有顯著的不同。人體腸道里溫和噬菌體是占主要的，然后在開放環境里，比如說海洋、湖泊環境里，裂解性噬菌體是占主要的。 這一個區別就說明了，不同的環境對于噬菌體的組成也是有很大的影響。
第二個特征就是，噬菌體的基因組之間和每一個個體之間，腸道噬菌體的組成差異巨大，要遠遠大于其相對應的細菌的組成的差異。 我們通過用已知的噬菌體的基因組做參考序列，然后用145個宏基因組讀長序列去比對這些用于參考的噬菌體序列。 我們可以看到，只有很少的噬菌體可以在腸道的宏基因組數據里找到相對應的序列，而這些序列的覆蓋率大概只有20-30%的樣子。 所以這些噬菌體的差異非常非常的巨大。
那么這些腸道噬菌體的功能是什么？它能不能和一些疾病相關？ 在2015年的時候，有一篇《Cell》的文章發出來，把腸道噬菌體的組成和炎癥性腸病的發生關聯起來。 他們發現在炎癥性腸病病人的腸道里面，細菌的數量、多樣性是降低的。但是一些噬菌體的數量，它們的豐度、多樣性是增高的，就是噬菌體的這種變化是獨立于細菌的變化的。 這種變化的機制是什么，目前還不清楚。
腸道噬菌體還有一個非常有意思的功能。 很多腸道噬菌體的基因組上編碼一些特異的蛋白，這些蛋白可以表達在噬菌體的外殼上，然后特異地去結合到腸道粘膜的細胞上去。當大量的噬菌體結合到腸道粘膜上去，它形成了一道屏障。 這時候，如果有細菌來試圖感染腸道細胞的時候，就首先要穿透噬菌體的這層外殼。這時候噬菌體就會特異地識別對應的病原菌，然后把它裂解掉 所以，這個時候噬菌體在腸道里提供的作用就是保護宿主，來抵抗細菌的感染，所以這也是一個很有意思的發現。
那么作為研究最多的、最清楚的、和人體腸道相關的就是糖尿病，它是不是也和腸道噬菌體的功能有關系呢？ 在2010年的時候有一篇文章，在這個文章里他們主要分析了其中細菌的組成和變化是顯著的，和Ⅱ型糖尿病是相關的。
那么我們利用這一組數據，通過自己開發的一套生物信息學分析的流程，發現了大量的噬菌體序列。 通過這些噬菌體的序列，我們發現了腸道噬菌體組的一些有意思的特征。
第一個，就是腸道噬菌體的組成。 長尾噬菌體在人體腸道里是占一個很主要的成分，大概有40%的噬菌體是來自于長尾噬菌體。 而溫和型噬菌體大部分都是屬于長尾噬菌體，這一發現也和前面的報道是相吻合的。
第二個，有尾噬菌體具有一些標志性基因，我們利用這些標志性基因可以去做一個進化樹。 我們發現，在這個進化樹上有很多很多新的，來自于腸道的一些序列，都是從來沒有被報道過的，來自于一些噬菌體。 所以，腸道里有非常非常多的新的噬菌體的序列有待于我們去發現，它們的功能也有待于我們去揭示。
那么通過 CRISPR 的 Spacers 和噬菌體序列之間的關系，我們發現了大量的可以感染擬桿菌的專一性的噬菌體的序列。 擬桿菌是腸道里一類很重要的細菌，但是它的噬菌體非常難以分離。到目前為止，在公共數據庫里有報道的，有全基因組序列的噬菌體，只有三株可以感染擬桿菌。 但是，我們通過這種宏基因組的方法，鑒定了大量的可以專一感染擬桿菌的噬菌體的序列。 通過對這些噬菌體的序列進行分析，我們發現在這些噬菌體的基因組上，有非常多有意思的基因。 比如說，有一些基因很可能參與到維生素的合成或者代謝過程，這些基因很可能賦予它們的細菌宿主一些特性，這些特性可以幫助這些宿主細菌適應人體腸道的環境。
再有一個，我們通過 Spacer 和噬菌體的基因組之間的關系，可以鑒定出來很多的噬菌體和它的宿主之間的關系。 通過建立這種關系，我們發現噬菌體感染宿主細菌具有非常高的專一性，我們看到大部分的噬菌體，都是只能專一感染同一類同一屬的細菌。 但是有一類的噬菌體可以跨屬去感染不同的細菌，這些噬菌體的感染有可能加速了基因在這些不同的屬之間的交流。
我們知道，在Ⅱ型糖尿病人的腸道里，有很多的細菌和正常人的對照有顯著的差異，那么其中的噬菌體組是不是也有這種差異呢？
那我們通過分析它的噬菌體的數量，就發現在糖尿病人的腸道里，不管哪一種類型噬菌體的數量，都是顯著要高于正常對照組的噬菌體的數量。 這一特征說明了什么呢？ 我們可以猜一下，比如說一些糖分之類的物質，它可能誘導腸道環境里的溶原性的噬菌體向裂解性的噬菌體轉變，從而增加了腸道噬菌體的數量。
通過這種網絡圖分析，我們還鑒定了噬菌體是腸道細菌組成變化的一個很重要的驅動力，很多的噬菌體和一些很重要的腸道細菌具有很強烈的關聯性。 那很可能，這些噬菌體通過影響它對應的宿主，來影響腸道里整個細菌菌群的組成還有變化。
我們除了研究人體腸道的噬菌體組之外，我們還在研究很多模式生物，比如說猴子、豬還有老鼠腸道的一些噬菌體組的組成。
通過研究噬菌體，我們除了可以揭示腸道噬菌體組和一些疾病以及人體健康的關系之外，我們還可以利用噬菌體可以特異感染并殺死細菌的特性，用噬菌體來控制、治療超級耐藥菌的感染。 2015年，美國的一對夫婦在埃及旅行的時候，丈夫感染了超級耐藥菌——鮑曼不動桿菌。在臨床上出現了無藥可救的情況，就是任何一種抗生素都不起作用了。 幸運的是，太太是研究噬菌體的，她就緊急去FDA申請了臨床的審批，在她丈夫身上用噬菌體來治療這種耐藥菌的感染，居然獲得了痊愈。 另外還有一個今年剛剛報道的案例，就是通過基因工程編輯的噬菌體，用來治療感染耐藥菌——分枝桿菌的一個病人，也收獲了很好的效果。 自從噬菌體被發現開始到現在，一直都有用噬菌體來治療細菌感染成功的例子。尤其是在今天，在東歐的一些國家，噬菌體仍然是用來對抗細菌的很重要的一種藥品。
用噬菌體來治療耐藥菌感染，它有一些獨特的優勢。 第一個就是宿主特異性高。在人身體里的菌群里，只有很少部分是能導致疾病的病原菌。那如果我們專門針對這種病原菌去開發它的噬菌體，就能殺滅這個病原菌，并且不會對其他健康的菌群造成影響。 第二個就是指數增殖能力強。一個噬菌體感染一個細菌之后，就可以產生100個左右的子代噬菌體出來。那么這個過程下去，很可能在短短一段時間內，就可以殺滅這個環境里所有對應的病原菌。 第三個就是不良反應少。應用噬菌體來治療細菌感染，到現在已經有接近100年的歷史，但是到目前為止，還沒有一個具有很強不良反應的例子被報道出來。 第四個就是種類極其豐富。噬菌體的數量很大，基因組的多樣性非常高，每一種細菌在環境里都有眾多種類不同的噬菌體，所以我們有這么多的資源可以利用。 所以，2014年的時候，噬菌體療法被美國列為應對耐藥菌感染的一個很重要的武器。
但是到目前為止，噬菌體療法還局限在一些臨床的研究上，為什么呢？ 第一個就是我們對噬菌體的認識還非常的少。我們現在能夠得到的噬菌體，知道基因組序列的噬菌體，其實不超過1萬個。 第二個就是抑菌譜非常的窄。它的抑菌譜窄是優勢也是一個劣勢，在環境里，病原菌有很多不同的亞型，然后往往有很多噬菌體只可以感染其中的某些亞型，而不能夠感染所有的亞型。 第三個就是潛在的毒性。體現在什么地方呢？就是噬菌體基因組上。 通常噬菌體會在不同的細菌之間交流，就有可能把病原基因等一些有害的基因，比如說毒性基因或者抗生素抗性基因，轉移到新的細菌里面去，從而賦予這個新的細菌一些新的特性，比如說致病性。 第四個就是響應速度慢。我們現在分離噬菌體，可能需要一個月的時間來做分離、篩選、評估、鑒定。這么一個流程下來，病人如果很緊急的話，可能也就不行了。 那么我們有沒有辦法來改變這種情況，噬菌體療法將來的走向應該是什么樣子的？ 我們提出，希望可以通過用合成生物學的方法，合成一些噬菌體來安全、高效的應對耐藥菌的感染。
一個藥品從實驗室走到臨床需要一個漫長的途徑，噬菌體也不例外。 那么我們想，在當前有一個很重大的需求，就是我們國家在2020年的時候，要在畜牧水產養殖上全面推行禁抗或者限抗。 我們是不是可以利用噬菌體來防治細菌的感染，以填補這一空白？我想應該是可以的。 所以我們噬菌體療法的策略和路線，就是希望首先應用在畜牧水產養殖上，取得共識、取得認識、取得大眾的認可，然后慢慢走到臨床上去。
在我們實驗室，已經針對人畜常見的病原菌構建了專一性的噬菌體庫，已經分離獲得了超過500株不同的一些噬菌體。 然后我們對其中300株進行了一些表征，比如說它的電鏡照片，它的一些裂解的特性，它的基因組的一些分析。
在我們實驗室，還應用這些噬菌體進行了一些現場的實驗。 我們應用噬菌體來治療對蝦上溶藻弧菌的感染，在很多養殖場，弧菌的爆發往往是在很短的時間內可以造成對蝦大面積的死亡。 在我們合作的一個企業上，在他們的養殖基地，我們就在爆發弧菌病的蝦上分離了弧菌，然后用這個弧菌從環境里分離到了它對應的噬菌體。 然后我們又把這個弧菌回接到蝦上，可以導致蝦的弧菌病。當我們用噬菌體時，還有另外一個實驗組是用的抗生素。 我們可以發現，這個噬菌體可以取得和抗生素同樣的效果，就是它可以保護蝦不被弧菌感染并殺死，可以取得一個很好的生存率。
在3-5年之內，我們希望結合合成生物學的方法，對噬菌體做一些改造。 我們能夠構建一些精準靶向、攜帶特殊基因的、安全的、高效的噬菌體制劑，來逐漸地推向到臨床，獲得CFDA的批準，然后到臨床用藥。
總結一下，我們知道大部分微生物組研究都集中在細菌上，那我們為什么要做噬菌體組的研究，這個很小眾。 第一個呢，我們要為了發現新的噬菌體，然后理解這些噬菌體在環境里的功能和意義是什么。它們一定具有很重要的功能和意義，只是我們沒有發現。 第二個呢，就是應用噬菌體來治療耐藥菌的感染。這個也是目前一個具有強大需求的應用方向。 第三個呢，就是應用噬菌體來實現對復雜腸道菌群的調節和改造。 我們知道，如果用抗生素的話，可能一下子就把所有的菌都殺死了。那么我們如果用噬菌體的話，可以很精準地、靶向地去殺死我們要殺死的細菌。這樣的話，我們就可以實現對復雜腸道菌群的一個調節。 第四個呢，就是用噬菌體進行合成生物學研究。 噬菌體作為最簡單的一種東西，它不能稱為生命，它具有很簡單的一個DNA結構或者RNA結構。 在過去100多年里，一些分子生物學的很重要的發現，很多諾貝爾獎獲得者的研究，都是基于噬菌體來做研究的。那么在合成生物學方面，作為21世紀的生物學，我們希望還可以利用噬菌體來研究生命科學的一些基本的原理。 感謝熱心腸先生，感謝我的團隊，感謝國家各級基金委的支持。我們也歡迎各位年輕的科學家可以加入到噬菌體組的研究中來。 謝謝大家！我是馬迎飛，謝謝！
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