編輯丨王多魚
排版丨水成文
普遍觀點認為，宿主的運動會加速病毒的傳播。但也有生態學研究表明，宿主的運動對病毒傳播起到抑制作用，北美帝王蝶就是一個典型例證。觀察顯示，那些進行長距離遷徙的帝王蝶相較於不遷徙的同類，感染寄生蟲病的風險顯著降低。基於這一現象，生態學家提出了“遷徙淘汰”假說，認為遷徙行為有助於淘汰掉病毒感染者從而維持群體健康。
自然界中遷徙行為到底是增強還是抑制病毒傳播，其背後的機制尚不清晰。在哪些條件下，宿主運動能夠抑制病毒的傳播？如果運動真能有效抑制病毒的傳播，是否宿主跑得夠快，就能淘汰、清除病毒呢？
2024年12月3日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所傅雄飛團隊在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表了題為：Navigated range expansion promotes migratory culling 的研究論文。
研究團隊透過定量合成生物學手段構建了一個宿主-病毒共遷徙實驗系統，發現了宿主在無方向型空間擴張遷徙（unguided range expansion) 條件下，宿主運動將促進病毒傳播；然而，在有方向型空間擴張遷徙運動（navigated range expansion）中，宿主運動可以抑制病毒傳播。
這些發現解釋了以往人們對宿主運動對病毒傳播存在兩種截然相反觀點的原因，並且揭示了“遷徙淘汰”的機制：在有方向型的空間擴張遷徙中，未被感染的宿主處於遷徙擴張前沿（front）的前端，而病毒感染者處於後方位置，這種空間位置的有序分佈（spatial sorting）導致了病毒感染者更容易被淘汰出去。
巧妙構建可定量、調控的細菌-噬菌體共遷徙實驗系統
研究人員巧妙利用實驗室中常見的細菌——大腸桿菌，及其病毒——M13噬菌體，利用合成生物學手段構建了細菌-噬菌體共遷徙的實驗室系統，實現了宿主運動性和病毒侵染能力等系統關鍵引數的定量調控，突破了傳統生態研究手段的侷限。
研究發現，當細菌被敲除了趨化基因後，只能依靠自身生長和無序隨機運動進行“無方向型空間擴張”，其遷移速度越快，噬菌體傳播越廣；相反，野生型的細菌擁有趨化基因，能透過化學引導進行“定向型空間擴張”，隨著遷移速度的提高，噬菌體的傳播範圍反而越小（圖1）。
圖 1 （A）細菌-噬菌體空間上的共傳播形成一個扇形感染區。（B）無方向型空間擴張和（C）定向型空間擴張下細菌的運動性和病毒傳播的關係
結論顯示，細菌的趨化運動是抑制病毒傳播的關鍵。細菌的趨化運動速度越快，病毒傳播範圍越小，甚至感染病毒的個體能從整個遷徙群體中清除出去，即出現了生物遷徙與病毒傳播之間的“遷徙淘汰”現象。
論文第一作者、深圳先進院合成所助理研究員張易博士指出，過去，針對病毒傳播時空動力學的研究主要依賴流行病學調研等，大多數基於經驗性理論，缺乏實驗體系的驗證。該研究藉助合成生物學手段構建了宿主-病毒互相作用的微生態系統，利用數學模型預測及指導實驗，深入理解了病毒隨宿主空間傳播的特徵，為其他病毒傳播問題提供了新思路和新實驗手段。
藉助定量合成生物學手段驗證
基於構建的細菌-噬菌體空間互相作用的數學模型預測結果，作者藉助合成生物學手段，對宿主細菌的運動行為以及噬菌體的侵染繁殖行為進行調控（圖2A），從而證實了細菌的趨化運動速度抑制病毒傳播，並在運動速度比較高的情況下發生病毒從共傳播狀態到“遷徙淘汰”狀態的相變現象（圖2B）。
圖 2 （A）細菌運動行為和噬菌體繁殖能力可定量調控的菌株設計原理圖。（B）不同遷移速度和噬菌體繁殖能力下的菌株“遷徙淘汰”相變圖。（C）“遷徙淘汰”的空間分選機制及（D）實驗驗證。
研究進一步發現，當細菌群體在趨化作用下向外擴張時，會形成一個細菌數量恆定的前鋒營，其透過細菌自我繁殖時同步淘汰掉位於後方的個體來實現。模型預測顯示，由於病毒無法自主移動，不可運動的噬菌體總是落後於可運動的細菌，因此，前鋒營中健康細菌位於前端，而感染者則位於後端並被淘汰。隨著前鋒營運動速度的加快，淘汰速度也相應加快，導致感染者從群體中被清除（圖2C），並透過實驗驗證了該機制假說（圖2D）。
這也意味著，細菌毫無方向地“亂跑”對淘汰病毒是沒有意義的，只有在有方向性的空間擴張下、宿主跑得夠快才能實現“淘汰病毒”。 該研究透過闡明宿主運動與病毒傳播之間的複雜聯絡，為探討自然界更廣泛的病毒傳播問題提供了新的實驗模型和理論基礎，將有助於在流行病學背景下更好地理解傳染病的防控。
通訊作者、深圳先進院合成所傅雄飛研究員指出，研究透過在分子層面定量調控了細菌遷移速度和噬菌體侵染能力，結合數理模型，揭示了在定向空間擴張宿主與病毒共遷移系統的時空有序結構，從而解釋了群體層面生物的“遷徙淘汰”機制，實踐了定量合成生物學“造物致知”的理念。同時，研究也為物理學、定量生物學、計算生物學、生態學和傳染病學等多學科的交叉融合提供了示範。
