你可能没想过，在我们看不到的世界里，其实每天都在上演一场惊心动魄的大战。这场战争，不是在天上飞，不是在地上打，而是在微观世界里，主角是细菌和病毒。别看它们个头小，打起来可一点都不含糊。而更让人意想不到的是，人类现在用来改造基因、对抗疾病的一些最尖端科技，竟然就是从这些细菌打“怪兽”的战斗中学来的。是不是挺神奇的？

沙眼衣原体，听起来像细菌，但它其实是一种介于细菌和病毒之间的微生物，属于衣原体目。它非常狡猾，感染后常常没有明显的症状，因此很容易被忽视。沙眼衣原体就像一个潜入人体内的“特工”，它利用宿主的资源，巧妙地躲避免疫系统的攻击，并不断繁殖，产生大量的子代。上图是沙眼衣原体的模型演示，Linda Wong摄于中国科技馆。©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

我们慢慢说，从头讲起。首先，要提提“防御岛”这个概念。“防御岛”（defence islands）是科学家在细菌或古菌的基因组中发现的一种特殊区域，里面集中了许多与免疫防御有关的基因。简单来说，可以把防御岛想象成细菌基因组中的“武器库”或者“防御指挥中心”。当细菌遭到病毒（噬菌体）攻击时，这些集中在一起的基因就会启动，帮助细菌识别、拦截甚至摧毁入侵的病毒。科学家正是通过发现这些“防御岛”，找到了很多新的细菌免疫系统，就像顺着一条线索找到了隐藏的宝藏。

接着，咱们先来说说“敌我双方”。

大肠杆菌是一种常见于温血动物肠道中的细菌，尤其是人类的大肠。 虽然大多数的大肠杆菌对人体无害，甚至有助于消化，但有些菌株却能产生毒素，导致严重的食源性疾病。这些致病菌株通常通过污染的食物或水传播，引起腹泻、呕吐等症状。大肠杆菌是粪便污染的指示菌，常用于检测水源和食品的卫生状况。 由于生长迅速、易于培养，大肠杆菌被广泛应用于生物学研究，是遗传学研究的模式生物。 一些经过改造的大肠杆菌菌株可以生产胰岛素、生长激素等重要的生物制品。上图是大肠杆菌的模型，Linda Wong摄于中国科技馆。©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

细菌，你肯定听说过，有好有坏。有的在你肚子里帮你消化食物，有的会让人生病发烧。全世界的细菌数量，差不多是10的30次方，也就是一个后面带30个零，那得有多少咱们就别数了，反正地球上到处都是它们。可是，它们并不是活得很轻松。为啥呢？因为还有一种比它们数量更多的敌人，那就是噬菌体——一种专门攻击细菌的病毒。

噬菌体长得像个小机器人，用一根“尾巴”扎进细菌的身体，然后把自己的基因“注射”进去，让细菌变成病毒的“工厂”，不停制造新的病毒，直到细菌撑不住、爆炸了，新的病毒再跑去感染更多细菌。这听着是不是有点像科幻电影？但这就是现实，而且天天都在发生。

当然，细菌也不是吃素的。人家几亿年来也不是白活的，也慢慢进化出了自己的“武器库”。它们会切断病毒的DNA，断了病毒的“生路”；有时候甚至会宁愿自杀，也不让病毒得逞——这真的是“为了同胞，英勇牺牲”。而且，这一切都不是一招一式，而是千变万化，有点像我们人类的免疫系统，只不过发生在细胞那么小的世界里。

普氏立克次体（Rickettsia prowazekii），这个拗口的名字背后隐藏着一段段人类历史的悲剧。这种微小的细菌，因其独特的生存方式和引发的可怕疾病——流行性斑疹伤寒，而被世人所知。普氏立克次体与普通细菌不同，它是一种严格的细胞内寄生菌。这意味着它无法在人工培养基上生长，只能在活细胞内安家落户，悄悄地进行繁殖。这种特殊的生存方式，让它成为了一名隐蔽的杀手。它主要通过感染了立克次体的体虱叮咬人体传播。当被感染的虱子叮咬人体时，立克次体就通过叮咬的伤口进入人体，引起感染。普氏立克次体最可怕的“杰作”莫过于流行性斑疹伤寒。这种疾病曾多次在人类历史上掀起血雨腥风。上图是普氏立克次体的模型，Linda Wong摄于中国科技馆。©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

更神奇的是，科学家正是从研究这些细菌怎么打病毒的过程中，发现了一些“宝藏”，发明出了我们今天最牛的基因编辑工具。比如说，现在风靡全球的CRISPR技术，就是从细菌的防御系统中来的。这名字听着有点高大上，其实原理很“硬核”：细菌在“打怪”的时候，会把病毒的DNA“记下来”，像记仇一样，把它们保存成小片段，等下次再碰上，直接拿“剪刀”把它们剪掉。科学家一看，这招太帅了，于是就学过来了，用来编辑人类的基因。就这样，CRISPR成了改造生物基因、治疗遗传病、甚至抗癌的强大工具。

这个技术厉害到什么程度呢？它的发现者们在2020年还拿了诺贝尔化学奖。而且，很多公司为它砸下了几十亿美元，研究怎么用它来治病救人。有人说，CRISPR可能是这个世纪最重大的生物科技突破。

埃玛纽埃尔·沙尔庞捷（左）、珍妮弗·道德纳（右）。图片来源于诺贝尔奖官网

但话说回来，CRISPR只是冰山一角。最近十来年，科学家们发现，细菌和古菌（也是一种微生物）体内的“免疫系统”比我们想象得还要复杂得多。他们通过基因测序和计算分析，发现细菌的“防御武器”其实都藏在它们基因里的“防御岛”上。就像一座小小的武器基地，藏着一堆还没被发掘的秘密。

于是，科学家们像福尔摩斯一样开始“挖宝”，从一个已知的防御基因出发，找到周围的“可疑分子”，一个个验证。结果发现的东西多到看不过来，有的实验室每周都得讨论五六篇新论文，根本来不及看完。

在这过程中，科学家还发现了一些特别让人震惊的事。比如，有一种叫CBASS的系统，细菌用它来识别病毒，然后制造一种信号分子，启动防御机制。而这种信号分子，跟人类免疫系统里的STING分子几乎一样。也就是说，我们人类细胞里用来打病毒的“开关”，细菌也有。这就好比你家里的门铃跟隔壁邻居家的长得一模一样。这说明什么？说明我们和细菌，可能在几十亿年前的“老祖宗”那里，就有一部分免疫系统是一样的！

灰色链霉菌是一种具有重要工业价值的细菌，属于放线菌的一种。它们常被用于生产各种有用的生物活性物质，比如抗生素。灰色链霉菌的菌落通常呈灰色，质地致密，常生长在土壤或腐烂的植物中。许多我们熟知的抗生素，例如链霉素，就是从灰色链霉菌中分离出来的。这些抗生素在治疗感染性疾病方面发挥了巨大的作用。灰色链霉菌还被广泛应用于工业生产中，用以生产酶、维生素等生物活性物质。上图是灰色链霉菌的模型，Linda Wong摄于中国科技馆。©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

还有，像气体德明蛋白、Viperin类蛋白这些，在人类和细菌体内都有“分身”。人类用它们来清除病毒，细菌也一样。这种平行进化的现象，原来大家以为不会有——因为病毒和宿主不断“斗法”，免疫系统应该会越变越不一样。结果现在发现，某些部分居然一直保留了下来。是不是觉得细思极恐又特别妙？

当然啦，科学家可不是光满足于“看热闹”。他们早就开始想怎么把这些“武器”变成新的技术工具。有的被用来保护生物反应器里的细菌，防止病毒“捣乱”；有的用来编辑DNA、开发诊断试剂盒；还有一些像Argonaute系统，它可以像剪刀一样，精准地剪掉你想去除的DNA段，而且比CRISPR还简单，成本低，还更容易申请专利。现在连检测DNA、做颜色变化测试这种“科学实验室的小把戏”，都能靠这些系统实现。

另外还有一种叫TIGR–Tas的系统，也是“基因剪刀”，但比CRISPR还小巧，不需要附加序列，这对基因治疗特别有用，因为有时候“分子工具”要送进人体细胞里，越小越好。科学家说，以后这可能是CRISPR之外最有前景的新武器。

©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

说到这，有人可能会问：那病毒就甘心了？当然不！噬菌体也不是省油的灯，它们会制造“反抗军”——比如专门用来对抗CRISPR的蛋白质，叫anti-CRISPR。这些蛋白能让CRISPR“打瞌睡”或“犯糊涂”，不再认敌为敌。这种机制现在也被科学家利用，来做基因编辑的“刹车”——不然剪错地方可就麻烦了。还有的研究者，已经开始把这些anti-CRISPR拿来调节人体免疫，甚至治疗炎症和自身免疫病。

细菌防御机制还有一个妙用——它们为了自保，有时候会触发“自毁程序”，比如切断自己DNA，破坏自己代谢，以此来让病毒没办法繁殖。听着像是“宁为玉碎，不为瓦全”。而科学家一看：这招可以用来对付坏细菌啊！你想啊，咱们现在抗生素这么多，可耐药细菌也越来越多。如果能用“改装版”的噬菌体，把这些“自毁程序”送进坏细菌体内，不就能把它们一锅端了？

而这样的技术，已经开始在一些小规模的临床试验中使用，比如有一家公司用这种方法治疗尿道感染，结果病菌数量大幅下降，病人也不再复发。

当然啦，这一切还只是个开始。科学家现在靠人工智能和机器学习，还能预测哪些细菌基因有可能藏着“防御宝藏”。未来几年，可能还会发现成千上万种新系统。很多人说，这些东西不仅能治病、改基因，说不定还能帮我们制造更聪明的疫苗、开发新的抗病毒药物，甚至治疗癌症。

说到底，这些微生物自己搞的“战争”，居然反过来帮了我们一把。从最初的观察、到借用、再到创新改造，科学家就像是站在显微镜前，听了一场几十亿年的“免疫战史”，然后把其中最精彩的战术，用在了人类医学上。这是不是特别像“生物版的武林秘籍”？而我们今天能用上这些“绝世武功”，还真得谢谢这些从未停歇的细菌与病毒之战。

上图：地球生物基因组计划预计将影响的科学领域。我们知道，生物多样性基因组学研究具有复杂性和多维性。从宏观的生态系统到微观的DNA序列，各种生物样本和数据被收集、分析，并整合到强大的生物信息学平台中，这些平台利用先进的计算工具和算法，解析生物多样性的遗传基础，揭示物种间的进化关系，并探索生物适应环境的机制。通过这种综合性的研究方法，生物多样性基因组学为我们理解生命提供了前所未有的视角，为未来的生物科学奠定了基础。图源：Sanger Institute

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编特别想提提的是，从生物多样性的角度来看，细菌与噬菌体之间持续不断的“战争”，正是塑造地球生命多样性的关键驱动力之一。这种微观层面的动态相互作用，通过噬菌体对细菌种群的捕食和调控，维持着细菌群落内部的复杂平衡，防止单一菌种的过度繁殖，从而促进了细菌遗传多样性的演化和维持。同时，细菌为了抵抗噬菌体的攻击，也在不断进化出新的防御机制，这种“军备竞赛”式的协同进化，极大地丰富了微生物世界的基因库和功能多样性，最终影响着宏观生态系统的结构和功能。因此，细菌与噬菌体的博弈，是理解地球生命多样性起源、演化和维持的重要窗口，也正悄然改变我们看待生命科学的方式。这些看不见的“小东西”，正在以另一种方式，改变我们的未来。

（注：本文是“海洋与湿地”（OceanWetlands）的科普系列文。本文仅代表资讯，供读者参考，不代表平台观点。）

编译 | 王芊佳
编辑 | YJ
排版 | 绿叶参考资料略