加州理工學(xué)院的研究人員首次觀察到了單個(gè)病毒通過(guò)導(dǎo)入自身DNA感染單個(gè)細(xì)菌的過(guò)程，并且對(duì)DNA轉(zhuǎn)移速度進(jìn)行了檢測(cè)。通過(guò)研究噬菌體感染細(xì)菌的過(guò)程，研究人員發(fā)現(xiàn)決定噬菌體DNA轉(zhuǎn)移速度的是宿主細(xì)胞而非病毒遺傳物質(zhì)的量。該文章發(fā)表在Current Biology雜志的網(wǎng)站上。

“我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴^察單個(gè)病毒感染單個(gè)細(xì)菌的過(guò)程，”該研究的主要研究者，加州理工學(xué)院的生物物理學(xué)和生物學(xué)教授Rob Phillips說(shuō)，“此前都是對(duì)大量的噬菌體和細(xì)胞進(jìn)行研究而測(cè)得的感染速率，而用我們的方法可以實(shí)際觀察到單個(gè)病毒排出DNA的過(guò)程。”

1952年在著名的Hershey-Chase實(shí)驗(yàn)中，冷泉港卡內(nèi)基研究所的Alfred Hershey和Martha Chase利用噬菌體證明了細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)是DNA而不是蛋白質(zhì)。噬菌體能通過(guò)包裹在蛋白質(zhì)外殼內(nèi)的DNA感染細(xì)菌。Hershey 和Chase對(duì)噬菌體的硫元素（只存在于蛋白外殼而非DNA中）和磷（只存在于DNA而非蛋白中）元素進(jìn)行了放射性標(biāo)記了。然后用這些噬菌體感染細(xì)菌。將細(xì)菌分離并進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌中只含有放射性的磷，證明DNA的確是遺傳物質(zhì)。該結(jié)果也說(shuō)明，噬菌體與感染人類(lèi)的病毒不同，只將其遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)入宿主細(xì)菌，而將“身體”留在外面。不過(guò)，到目前為止噬菌體DNA轉(zhuǎn)移的詳細(xì)機(jī)制依然是個(gè)謎。

有理論認(rèn)為DNA在病毒內(nèi)受到了較大的壓力。實(shí)際上也有研究顯示噬菌體遺傳物質(zhì)在其、蛋白外殼中比在體外溶液中受到的壓力更大。Phillips說(shuō)：“畢竟在50納米見(jiàn)方的外殼中包裹了16微米的DNA。相當(dāng)于要把金門(mén)大橋上的500米纜繩裝入快遞車(chē)的后備箱?！?/SPAN>

Phillips的團(tuán)隊(duì)希望了解這種壓力是否在DNA轉(zhuǎn)移過(guò)程中起主要作用。研究人員將基因組大小不同的兩種λ噬菌體的DNA進(jìn)行熒光染色，然后通過(guò)熒光顯微鏡觀察了這兩種噬菌體DNA轉(zhuǎn)入E. coli菌體的過(guò)程。研究人員發(fā)現(xiàn)噬菌體DNA的平均排出時(shí)間為約5分鐘，并且DNA轉(zhuǎn)入不同細(xì)胞的時(shí)間也存在差異。

這與此前體外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果差異很大，噬菌體將DNA排入溶液中只需要不到10秒。而且當(dāng)大基因組的噬菌體排出一定DNA，使其內(nèi)部DNA長(zhǎng)度與小基因組噬菌體DNA長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，這兩種噬菌體排出DNA的速度相同。因此當(dāng)時(shí)研究人員推斷，是噬菌體內(nèi)DNA的含量決定了DNA轉(zhuǎn)移的速度。

顯然，體外實(shí)驗(yàn)中的規(guī)律在細(xì)胞中并不適用。E. coli約1微米見(jiàn)方的細(xì)胞內(nèi)含有約3百萬(wàn)蛋白，蛋白之間距離小于10納米?！凹?xì)胞太擁擠了，幾乎沒(méi)有地方留給別的東西” Phillips說(shuō)。

因此當(dāng)噬菌體試圖將DNA轉(zhuǎn)入細(xì)胞時(shí)，限制DNA轉(zhuǎn)移速度的主要因素是細(xì)胞內(nèi)的擁擠程度。在這種情況下，噬菌體DNA轉(zhuǎn)移速度與宿主的關(guān)系更大。

未來(lái)，研究人員將用文中的方法研究多種噬菌體，并對(duì)能協(xié)助拉病毒DNA進(jìn)入細(xì)胞的分子進(jìn)行研究。例如已有研究顯示，T7噬菌體的DNA在還未完全進(jìn)入細(xì)胞時(shí)，在宿主細(xì)胞內(nèi)的病毒DNA就已經(jīng)開(kāi)始了復(fù)制。

細(xì)胞生命的很多活動(dòng)都與分子跨膜有關(guān)，而Phillips團(tuán)隊(duì)的這一研究正是大分子跨膜的基礎(chǔ)，能幫助科學(xué)家進(jìn)一步研究DNA和蛋白質(zhì)等生物大分子的跨膜機(jī)制。