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噬菌体的发展历史简介

2022.3.17

  1915年,弗德里克· 特沃特(Frederick W.Twort)担任伦敦布朗研究所所长。特沃特在研究中力图寻找用于天花疫苗的痘苗病毒(vaccina virus)的变异株(variant ) ,这种变异株可能在活细胞外介质中复制。他在一项试验中将一部分天花疫苗接种给一个含营养琼脂的培养盘。虽然这种病毒未能复制,但是细菌污染物在琼脂盘中生长很快。特沃特继续进行他的培养并注意到,一些细菌菌落显示出“带水的样子”(即变得比较透明)。这样的菌落做进一步培养时也不再能复制(即细菌被杀死)。特沃特把这种现象称为透明转化(glassy transformation)。他接着证明用透明转化原理感染一个正常的细菌菌落会把这种细菌杀死。这种透明实体很容易通过一个陶瓷过滤器,可被稀释一百万倍,当放在新鲜细菌上的时候就会恢复它的实力,或者说滴度。

  特沃特发表了一篇描述这种现象的短文,认为对他所观察的结果的解释是存在一种细菌病毒。由于服役于第一次世界大战,特沃特的研究中断了。返回伦敦后,他没有继续进行这项研究因此在这个领域没有作出进一步的贡献。

  与此同时,加拿大医学细菌学家费利克斯· 德赫雷尔(Felix d’Herelle)当时正在巴黎的巴斯德研究所工作。1915年8 月,法国的一个骑兵中队驻扎在巴黎郊外的梅宗-勒菲特(Maisons-Lafitte) ,一场严重的志贺氏杆菌引发的痢疾对整个部队造成了毁灭性的打击。德赫雷尔对患者的粪便进行过滤,很快从过滤的乳状液中分离出痢疾杆菌,并且加以培养。细菌不断生长,复盖了培养皿的表面。德赫雷尔偶然观察到清楚的圆点,上面没有长出任何细菌。他把这些东西称为乳样斑(taches vierges),或称为噬斑(plaques)。德赫雷尔跟踪观察一名患者的整个感染过程,观察何时细菌最多,斑点何时出现。有意思的是,患者的病情在感染后的第四天开始好转。

  德赫雷尔把这些病毒(virus )称为噬菌体(bateriophage) ,紧接着他发明了病毒学研究领域的方法。他将噬斑进行有限的稀释,测定病毒的浓度。他的推论是出现斑点表明病毒为颗粒或称为小体(corpuscular)。德赫雷尔在研究中还证明病毒感染的第一步是病原体附着(吸附)宿主细胞。他通过把病毒与宿主细胞混合后共沉淀证明了这一点。(他还证明,上清中不存在这种病毒)一种病毒的附着只是在细菌对与它混合的病毒敏感时才出现,这表明了一种病毒对宿主细胞的吸附有特定的范围。他还用很清楚的现代术语描述了细胞溶菌(lysis )的释放。德赫雷尔在许多方面是现代病毒学原理的创始人之一。

  到1921 年,越来越多的溶原性菌株(lysogenic bacterial strain) 被分离,在一些实验中已经不可能把病毒与它的宿主分开。这使布鲁塞尔巴斯德研究所的朱勒斯· 博尔德特(Jules Bordet)认为,德赫雷尔描述的传染性病原体只不过是一种促进自身繁殖的细菌酶(bacterial enzyme)。虽然这是一种错误的结论,但是它相当接近于朊病毒(prion)结构和复制的看法。

  在20 世纪20-30 年代,德赫雷尔重点探索他的研究成果在医学上的应用,但是毫无成果。当时进行的基础研究常常受该领域个别科学家的强烈个性所产生的解释的影响。显然有许多不同的噬菌体,一些为溶菌性(lytic)而另一些则是溶原性(lysogenic ) ,但是它们之间的相互关系仍然定义不明确。这个时期的重要发现是马克斯· 施莱辛格,他证明纯化的噬菌体最大直径(linear dimension )0.1 微米,质量大约4x10克,它们由蛋白质和DNA 构成,比例大体上相等。1936 年那时没有任何人清楚地知道如何利用这种观察结果,但是,它在随后的20 年里产生了重大影响。

  现代:1938 年-1970 年

  马克斯· 德尔布吕克(Max Delbruck )是吉廷根大学(Gittinge)培养出来的物理学家。他的第一份工作是在柏林威廉化学研究所,在那里他与一些研究人员积极地讨论量子物理与遗传学的关系。德尔布吕克对这个领域的兴趣使他发明了一种基因的量子机械模型(guantum mechanical model of gene )。1937 年,他申请并获得了在加利福尼亚理工学院学习的奖学金。一到加利福尼亚理工学院他就开始与另一位研究员埃默里· 埃利斯(Emory Ellis)合作。埃利斯当时正在研究一组噬菌体-T2 、T4 、T6 ( T-偶数噬菌体)。德尔布吕克很快认识到这些病毒适合研究病毒复制。这些噬菌体是探索遗传信息如何决定一种生物体的结构和功能的一个途径。从一开始,这些病毒就被视为了解癌症病毒,甚至了解精子如何使卵子受精并发育为一种新生物体的典型系统。埃利克和德尔布吕克设计出一步生长曲线试验。在这项试验中,一种受感染的细菌经过半个小时的潜伏期(latent period)或称为隐蔽期(eclipse period )之后释放了大量噬菌体。这项试验给潜伏期下了定义,即病毒失去传染性的时候。这成为这个噬菌体研究小组的试验范例。

  第二次世界大战爆发后,德尔布吕克留在美国(在范德比尔特大学),见到了意大利难民萨尔瓦多·卢里亚(Salvador E . Luria )。卢里亚逃到美国避难,当时在纽约州哥伦比亚大学研究T1和T2噬菌体。他们是1940 年12 月28 日在费城举行的一次会议上见面的,并在随后的两天里策划在哥伦比亚大学的试验。两位科学家将招聘和领导越来越多的研究人员重点研究利用细菌病毒作为了解生命进程的一个模型。对他们的成功起关键作用的是1941 年夏天他们应邀到冷泉港实验室做试验。就这样一位德国物理学家和一位意大利遗传学家在二战期间一直进行合作,周游美国招聘新一代的生物学家,后来这些人被称为噬菌体研究小组。

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