噬菌体形成令人惊讶的花朵形状带来意想不到的美丽和抗菌能力的大幅提升

麦克马斯特大学的一组研究人员经常研究噬菌体(一种以细菌为食的病毒)，他们在准备在高倍显微镜下观察的载玻片时，获得了一个令人愉快且可能非常重要的惊喜。

研究人员对噬菌体的样本进行了处理，以便在电子显微镜下观察它们的活体，他们惊讶地发现它们结合在一起形成了类似向日葵的三维形状，但宽度只有十分之二毫米。

只需一点提示，大自然便能提供领域专家们数十年来一直试图人工构建的那种结构——这种结构在寻找难以捉摸的细菌目标方面比未连接的噬菌体效率高 100 倍。

研究人员表示，能够创建这样的结构为利用天然材料和工艺检测和治疗多种疾病提供了可能性。

最初的发现是日常实验室工作中的一个意外惊喜。

主要作者田雷和他的同事没有将噬菌体样本暴露在典型的制备过程中，这些过程包括温度或杀死病毒的溶剂，而是选择用高压二氧化碳来处理它们。田雷现在是中国东南大学的首席研究员，他在读博士期间领导了这项研究，后来在麦克马斯特大学担任博士后研究员。

研究人员 Lei Tian、Zeinab Hosseinidoust 和 Tohid Didar。图片来源：麦克马斯特大学

尽管研究人员已经习惯于看到微观病毒做出令人惊奇的事情，但经过治疗后，他们惊讶地发现噬菌体竟然聚集成如此复杂、自然且非常有用的形式。

“我们试图保护这种有益病毒的结构，”田说。“这是我们试图克服的技术挑战。我们得到的是这种令人惊叹的结构，它是大自然本身创造的。”

研究人员利用位于麦克马斯特的加拿大电子显微镜中心的设备拍摄了这些结构的图像，并花了两年的时间解密这一过程，并展示这些新结构如何在科学和医学领域发挥非常有用的用途。

“这是一个意外的发现，”该论文的通讯作者、机械工程师、加拿大纳米生物材料研究主席托希德·迪达尔 (Tohid Didar) 说。“当我们把它们从高压室中取出并看到这些美丽的花朵时，我们完全被震撼了。我们花了两年时间才发现这是如何发生的以及为什么会发生，并为能够使用其他基于蛋白质的材料创建类似结构打开了大门。”

近年来，加拿大噬菌体生物工程研究主席、化学和生物医学工程师Zeinab Hosseinidoust 实验室的研究人员在噬菌体研究方面取得了重大进展，使得有益病毒像活的微观织物一样连接在一起，甚至形成肉眼可见的凝胶，为它们的应用开辟了新的前景，特别是在检测和对抗感染方面。

然而，在最近的发现之前，我们还不可能确定这种材料的形状和深度，而现在我们通过花状结构的皱纹、峰顶和裂缝知道了它们的形状和深度。

“这其实就是利用自然来建造，”Hosseinidoust 说。“这种美丽、褶皱的结构在自然界中随处可见。这种结构的机械、光学和生物特性几十年来一直激励着工程师们人工建造这种结构，希望从中获得同样的特性。”

现在，他们已经引发了这种转变，并成功复制了这一过程，研究人员对噬菌体通过结合在一起并采取这种形式所达到的集体效率感到惊讶，他们正在探索利用相同特性的方法。

即使在复杂环境中，多孔的、类似花朵的噬菌体结构在寻找分散、弥散的目标方面也比未连接的噬菌体结构好 100 倍，这一事实可以通过将它们与他们的同事在传染病研究领域创建的 DNAzyme 混合并利用类似花朵的结构在商业冷却塔的水中寻找低浓度的军团菌来证明。

噬菌体重新成为多种感染的治疗方法，因为它们可以被编程为针对特定细菌，同时不影响其他细菌。

上世纪中叶青霉素问世后，该领域的研究工作逐渐减少，但随着抗生素耐药性不断削弱现有抗生素的有效性，包括麦克马斯特研究人员在内的工程师和科学家又将注意力重新转向噬菌体。

发现使它们连接成花形的过程可以增强它们原本就令人印象深刻的特性，既可以找到和杀死目标细菌，也可以作为其他有益微生物和材料的支架。

“大自然是如此强大和聪明。作为工程师，我们的工作就是了解大自然的运作方式，这样我们就可以驾驭这样的过程并加以利用，”Hosseinidoust 说。“可能性是无穷无尽的，因为现在我们可以使用生物构件来制造结构。”