定量合成生物学发现自然应对传染病的新策略

传统观点认为，携带病毒的生物的迁徙一般会加速病毒的传播。但最近有生态学研究表明，迁徙对病毒传播有抑制作用，北美帝王蝶就是一个典型例证。长距离迁徙的帝王蝶相较于不迁徙的同类，感染寄生虫病的几率要低得多。而这一现象的背后机制目前尚不清楚。

自然界中迁徙行为到底会促进还是抑制病毒传播？如果携带病毒的生物体迁徙真能有效抑制病毒的传播，是否病毒感染者跑得够快，就能淘汰、清除病毒？

12月3日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）合成生物学研究所研究员傅雄飞团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表最新研究成果，揭示了生物迁徙与病毒传播之间的复杂关系。深圳先进院为该研究第一单位。

论文截图 研究团队供图

他们发现，生物在进行有方向性的迁徙运动时，会对病毒传播有抑制作用，挑战了“生物的迁徙行为会促进或加速病毒的传播”的传统观点。该研究为公共卫生策略提供了新视角，强调通过调节宿主的迁移行为或病毒的感染特性有望控制传染病传播，有助于在流行病学背景下更好地理解和制定传染病的防控策略。

历时7年，揭示“迁徙淘汰”背后机制

生态学上有关于“迁徙淘汰”的假说，认为迁徙行为有助于淘汰掉病毒感染者从而维持群体健康，但这背后的机制尚不清晰。

2017年开始，傅雄飞团队围绕细菌-噬菌体在空间上共迁徙的定量理解展开研究，发现只有在有方向型的空间扩张迁徙下，宿主的运动才会抑制病毒的传播，且在速度足够快时病毒感染者甚至能被清除出迁徙群体。研究团队认为这是微生态系统下“迁徙淘汰”的具象化，但到底是什么导致了“迁徙淘汰”呢？

起初，为了弄清楚“迁徙淘汰”机制背后的奥秘，研究团队根据传统观念提出了一系列的科学假设，例如现象是否由感染病毒的细菌生长迟滞引起，进行验证，但最终的实验结果并不尽如人意。

负责开展实验工作的论文第一作者、助理研究员张易深有体会。经过近一年的反复试错，研究团队选择暂停盲目的实验尝试，转而深入分析数学模型，将研究回归到理论指导实验的方向。

“在分析数学模型中细菌的动力学过程中，我们发现在感染区和未感染区交界的区域，病毒感染者和健康宿主之间存在有序的空间位置分布差异这一关键因素。”张易介绍，这意味着，细菌的趋化运动速度越快，病毒传播范围越小，甚至感染病毒的个体能从整个迁徙群体中清除出去。

据张易介绍，此项研究时间长达七年，当时一起做项目的其他成员都因为各种原因相继更换了研究方向，坚守到成果发表的她也从纯理论选手被训练成了熟练的生物实验操作员。

构建定量调控系统，传染病防控有了新策略

过去，针对病毒传播的研究大多依赖流行病学调查及经验性理论，尚缺乏实验体系的验证。

基于前期的发现，研究团队突破性地运用合成生物学技术，巧妙利用实验室中常见的细菌——大肠杆菌，及其病毒——M13噬菌体，构建了模拟“宿主-病毒”互相作用的实验室系统，利用数学模型预测及指导实验，成功在实验上印证了生态学中“迁徙淘汰”这一假说。他们观察到，在有方向性的运动中，相对于健康生物体而言，携带病毒的生物体处于后方位置，这种空间分布差异导致病毒感染者更容易被淘汰出去。

这项研究不仅为解决其他病毒传播问题提供了新的策略和实验手段，还有望为公共卫生领域应对传染病传播的提供新思路。

“共迁移自发形成的‘空间分选’有序结构，致使感染者更容易被淘汰”的机制提示，在流行病学背景下制定防控策略时，可以综合考虑生态与行为因素的相互作用，并进一步通过定量调控生物迁移行为或病毒感染特性等关键参数，应对传染病的传播。

通讯作者、深圳先进院研究员傅雄飞介绍，该研究通过在分子层面定量调控细菌迁移速度和噬菌体侵染能力，结合数理模型，揭示了在定向空间扩张宿主与病毒共迁移系统的时空有序结构，从而解释了群体层面生物的“迁徙淘汰”机制，实践了定量合成生物学“造物致知”的理念。

定量合成生物学作为一项前沿交叉学科，该研究为物理学、定量生物学、计算生物学、生态学和传染病学等多学科的交叉融合提供了示范。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2408303121