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噬菌体生物学:一个世纪的历史回顾

作为感染细菌细胞的小型病毒,噬菌体首次发现于1915年,百年以后的今天,这些噬菌体对基础生物学、生物技术和人类健康的科研贡献仍然是行之有效、没有减退的,它们的百年华诞是值得我们庆贺的。
1915年,细菌学家弗雷德里克·图尔特(Frederick Twort)发表了第一篇描述噬菌体类病毒的论文,它们可以感染细菌,在细菌体内繁殖自己并杀死细菌细胞。从那以后,对这些病毒的研究,给生物学带来了巨大的变化,人们把这些病毒命名为噬菌体(bacteriophages, phages)。噬菌体为20世纪的分子生物学革命提供了实验体系和工具,它们的快速发展已经使生态学和进化的基础原理得到了检测。现在,我们知道了噬菌体是世界上最成功的生物学实体,它比任何其它生命形式都更加丰余和具有遗传多样性。尽管它们的重要性是显而易见的,但是这些迷人的实体的研究仍然还是一种小而全的科学行为。在此,我们简要地回顾噬菌体研究的历史,希望给新一代的噬菌体科学家们带来鼓舞和激励。
    
在20世纪早期,大多数噬菌体科学家都对使用病毒作为抗细菌生物感兴趣。这是一个不受控制的科学试验时代,人们被注射以噬菌体,病毒被向水井中倾倒,都是为了希望杀死病原体性细菌、比如导致霍乱的细菌。正是1928年亚历山大·弗莱明爵士(Alexander Fleming)对抗生素的发现,使这样的研究路线得到了戏剧性的减少。但是今天,由于抗生素抗性成为人们不得不关注的事实,“噬菌体疗法”的概念重新受到了人们的关注。

其后,噬菌体科学的发展进入了定量王国,一个研究网络,由生物学家、生物化学家和物理学家组成并命名为“噬菌体群”,使用这些病毒作为模型,进行生命是如何工作的前沿研究。1952年,阿尔弗雷德·赫尔希(Alfred Hershey)和玛莎·蔡斯(Martha Chase)进行了一项著名的实验,用一台高速离心机将放射标记的噬菌体从细菌细胞中去掉,帮助科学家们认识到DNA是遗传物质,这项实验后来获得了诺贝尔奖。通过实验发现了许多噬菌体编码的DNA操作酶,比如DNA和RNA聚合酶、连接酶、核酸内切酶和核酸外切酶,接连不断地催生了分子生物学新认识、发展了生物技术产业,现在,世界各地每天都在使用着噬菌体蛋白质。限制性酶类保护着细菌免受噬菌体感染,为分子生物学家们提供了另一种不可缺少的工具。这种趋势持续到了今天,正如人们所见的,正是研究细菌如何防御噬菌体,使得科学家发现了CRISPR-Cas系统,随之才有基因组编辑革命的到来。