全自动生长曲线分析仪

Evolutionary selection of trimethoprim-resistant dfrA genes in lytic phages affects phage and host fitness during infection

裂解噬菌体中耐甲氧苄啶dfrA基因的进化选择影响感染期间噬菌体与宿主的适应性

来源：Science Advances 2025, Volume 11, eadt4817

《科学进展》，2025年，第11卷，文章编号eadt4817

摘要

本研究采用宽松阈值搜索与基于结构相似性的机器学习配对比较建模方法，在26697个噬菌体基因组中鉴定出11665个潜在抗生素耐药基因，其中9419个位于裂解噬菌体。功能验证显示，裂解噬菌体富集的dfrA基因可赋予大肠杆菌甲氧苄啶抗性。序列分析表明，裂解噬菌体极少将这些dfrA基因水平转移至宿主菌。进一步研究证实，噬菌体携带的dfrA基因不仅在甲氧苄啶压力下提升自身复制能力，还在感染过程中促进宿主细菌生长。结果表明，裂解噬菌体通过进化保留功能性耐药基因以提升繁殖效率，dfrA基因介导裂解噬菌体与宿主间的进化互利关系。

关键词

裂解噬菌体；dfrA基因；甲氧苄啶耐药；抗生素耐药基因；进化选择；噬菌体适应性；宿主适应性；水平基因转移

研究目的

揭示裂解噬菌体中功能性耐药基因的存在、分布与进化意义，阐明dfrA基因对噬菌体增殖与宿主细菌生长的双重调控作用，评估裂解噬菌体作为耐药基因储库的传播风险。

研究思路

通过多算法大规模筛查噬菌体基因组中的潜在耐药基因；重点验证dfrA基因的耐药功能；分析其在细菌基因组中的同源性与移动元件关联，评估水平转移风险；构建dfrA敲除噬菌体，探究其对噬菌体复制、宿主生长的影响；解析dfrA作为辅助代谢基因的互利进化机制。

研究亮点

1 突破传统认知，首次证实裂解噬菌体广泛携带功能性耐药基因dfrA。

2 证明裂解噬菌体的dfrA基因极少水平转移至细菌，传播风险极低。

3 揭示dfrA基因的双重功能：提升噬菌体在抗生素下的复制、促进宿主感染后生长。

4 提出裂解噬菌体与宿主通过耐药基因形成进化互利新策略。

可延伸的方向

1 筛查裂解噬菌体中其他类型功能性耐药基因的分布与功能。

2 探究不同环境来源裂解噬菌体的dfrA基因多样性与进化轨迹。

3 开发基于dfrA阳性噬菌体的抗生素协同抗感染方案。

4 解析dfrA提升噬菌体适应性的分子调控网络。

5 评估dfrA基因在噬菌体治疗中的安全性与应用价值。

测量的数据及研究意义

1 噬菌体基因组耐药基因筛查数据（图1），证明裂解噬菌体携带大量潜在耐药基因。

2 dfrA基因系统发育与功能验证数据（图2、3），证实噬菌体dfrA具有甲氧苄啶抗性。

3 dfrA基因水平转移风险分析数据（图4），证明裂解噬菌体极少向细菌转移dfrA。

4 噬菌体复制滴度数据（图5），显示dfrA在甲氧苄啶下显著促进噬菌体增殖。

5 DfrA酶促动力学与HPLC-MS产物数据（图6），证实其具有二氢叶酸还原酶活性。

6 宿主菌感染后生长曲线数据（图7），证明dfrA促进噬菌体感染时宿主细菌生长。

结论

1 裂解噬菌体是功能性dfrA耐药基因的重要储存库，而非传统认为的不含功能性耐药基因。

2 噬菌体来源的dfrA基因可有效介导细菌对甲氧苄啶的抗性。

3 裂解噬菌体几乎不通过转导或移动元件将dfrA基因扩散至宿主细菌。

4 dfrA基因在抗生素压力下增强噬菌体复制能力，同时促进感染期间宿主细菌的存活与生长。

5 dfrA基因是裂解噬菌体与宿主之间进化互利的关键分子，反映噬菌体的适应性生存策略。

使用芬兰Bioscreen仪器测量数据的研究意义

使用Bioscreen C Pro全自动生长分析仪在37℃或28℃条件下连续培养，每30分钟自动监测OD600，精准定量野生型与dfrA敲除噬菌体感染宿主后的生长动力学；客观证明dfrA基因可显著缓解噬菌体对宿主的生长抑制，提升宿主在感染后的存活率与增殖能力，排除人工读数误差，为dfrA促进宿主适应性、介导噬菌体-宿主互利提供高通量、标准化、可重复的核心定量证据。