噬菌体的演化生态学

1、科普作業題目：噬菌體的演化生態學參考資料?看似嚴肅地整理本報告，但是英文的瞭解錯誤，使得詞不達意目錄噬菌體與生態學的關係 3.動態病毒粒子 (Virion) 產物的單一模型 4.噬菌體的族群和演化動力學之多標度模型 4.模型能用來觀察噬菌體與宿主的共演化 5.模型能觀察噬菌體對生長中宿主的影響 5.參考資料： 5.摘要本節是前言不是摘要噬菌體在長時間的研究中發現它在分子生物學、生態學、環境及演化上佔有 相當重要的地位。近年來數學概念的應用成功地組織和簡化大量實驗數據。原翻譯文：近幾年來，藉由數學上的應用概念對於微生物學上得到很高很 好的數據，當然應用量化的方法探討是不能用來取代發現生物學深層意

2、義的嚴肅思考 和一些理論工具。原翻譯文：當然定性定量上的分析亦是不可或缺的，這些工具的應用對於 生物學的發展與研究可以讓研究者擁有更長遠的眼光。以一個龐大的數據分析上來看 ，以及基因的層面上整合及校準為一個有似真 實的系統發生樹狀圖 見圖一 。然而，此樹狀圖也可能建立於循序的演化和流行 病動力學，但無論如何此都帶給我們更進一步的了解。要如何區別新舊的理論在 於是否有先例的產生。理論上分析著重於連鎖關係的第一部份，像是尺寸還原和圖像、損害影響微 生物學上的基因原則。因任何一個數據可以創新的途徑去代表、親近和接觸一個 基因庫、片段、基因表現、酵素活性和胞外的反應。而連鎖關係的最後一部份通 常為尋求

3、關於一些會改變細菌與噬菌體的功能的混亂。環境的噬菌體影響球狀營養循環、細菌的多樣性和疾病的傳染源。宿主與 噬菌體之間的關係對連接系統生物學和環境生態學提供一個解釋。噬菌體與生態學的關係噬菌體是感染细菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱，因部 分能引起宿主的裂解，故稱為噬菌體。它們的基因會鑲嵌入宿主的基因的，修飾 宿主的基因庫，並利用宿主的新陳代謝合成所需的蛋白質。從生態學來看，需要考慮它們的行為和與宿主間的動態關係，尤其是它的生 活史，不只有環境生態學，在系統生物學和微生物學都有很重要的影響。重要的 例子包含與宿主結合的專一性與多樣性間的關係，調控基因滑動的機制，平行基 因轉移的速率與

4、範圍 見圖二 。噬菌體分為兩種一入和T,它們擁有不同的大小，潛溶性或毒發性的還有它 們的病毒粒子的大小。當 入噬菌體感染細菌時，與宿主的起動子競爭來決定基因 是引發毒發性還是潛溶性，對 入噬菌體而言，進入潛溶性的可能性取決於細胞的 狀態和感染的多樣性。而 DNA 的損害會降低抑制子去保存產噬作用，其中包含 噬菌體的逃脫。動態病毒粒子 (Virion) 產物的單一模型病毒粒子產生至少需要四個步驟，分別為病毒基因的複製，病毒結構蛋白質 的產生和從細胞釋放病毒粒子。一些噬菌體可能產生很多的後代但只有感染少數的宿主 ，反之有些噬菌體產 生少量的後代但感染較多的細菌 ，此種噬菌體與宿主間的動態關係可以用

5、數學表 示，這對於理論家與觀察家是很有助益的一件事。第一個數學上的實驗在 1970 末年，噬菌體與宿主間的關係用宿主比率 (Betwee n-host scale表示。噬菌體感染 細菌並使得細菌的基因有水平方向的轉換 (見圖二)。有機化學機制模式描述宿主和噬菌體在一個化學恆定的環境並有著吸附作 用和溶菌作用的一段時間。Levin-stewart-chao的主反應模式為在此資源下的宿主 生長和噬菌體引起的伴隨著後來釋放出新的病毒粒子的宿主死亡率 。此趨勢是假 設以上為線性關係或呈米氏動力學 (Michaelis-Menten kinetic)。如果溶菌的比率夠高，表示宿主和噬菌體共存於一個穩定的

6、狀態。在實驗 中，宿主一噬菌體動力學概括生態學的假說，在新的模式中，包含形成溶菌狀態 的宿主，其提到宿主間互相利用的生物物理觀點的模型。噬菌體可成為目標，因為它可以被消滅當細胞狀態好時。它也可以使得同 種的宿主免疫去溶菌作用一一個特徵為宿主和噬菌體可能為優勢。噬菌體的族群和演化動力學之多標度模型最近研究者轉移注意力在複合的環境中，如土壤海洋等微生物的演化動力 學。而根據經驗法則，當噬菌體密度大於宿主密度 10 倍時，則宿主有 1050% 的致死率，但是否為生理限制或環境因素仍然是個問題，所以為了尋找其相關 性，複合生物的多標度模型是需要的。不過塑造環境噬菌體的模型是特別困難的 ，因為噬菌體的演

7、變與宿主有相當 密切的關係，所以很難預料不同噬菌體在選擇壓力下的反應。有一重要的方法讓噬菌體使宿主將兩者的交互作用優質化 ，在一個細胞內噬 菌體可能代理重要而不可取代的機制來控制細胞，結果表示這類型的模型，是在 有許多噬菌體存在的競爭環境裡。其他問題則是在噬菌體的基因型多樣化模型，長期實驗研究顯示，基因型有 許多張立，尤其是易變的環境下染色體會重組。不過至今仍無法找尋基因型的規 則。模型能用來觀察噬菌體與宿主的共演化尋找一種理論方法也能幫助我們在基因變化與環境改變接上關係，有些由生 理、生態的理論來，可以用來觀察噬菌體的演變與生態方式。從近期看來，改善 模型可用來連接系統生物間生態或生理的演變

8、。有些理論方法可以提供觀察噬菌 體的演變與生態的關係。噬菌體是一個相當小的有機體，幾乎存在於地球上任何 有細菌存在的每個地方，而這樣的快速變化很難與宿主間達到平衡，而作者開發 了一種計算發使用來勘查噬菌體與宿主間交互作用後的變化圖3。這個數學模型忽略許多複雜考量，但它的重點在也許是在選擇下，而傾向能適應變動的生 態學情況。模型能觀察噬菌體對生長中宿主的影響雖然宿主與噬菌體的交互作用在 30年前已有簡單的模型了，例如在快速生 長期的細菌較比起穩定期的細菌較容易被噬菌體分解。如今在有一模型，當在任 何一個特殊宿主的噬菌體混合物內，模型可得知在噬菌體密度範圍內，將使宿主 無法與噬菌體共存，如果噬菌體

9、增加數目很少，也無法存在宿主內，不過如果大 量生產，噬菌體彼此碰撞而導致他們自己滅絕，且模型也能顯示當宿主接近達飽 和時，病毒與時間可能導致完全不同的結果。一套新理論與新工具方法是需要時間且要橫逛許多領域的，而那些理論工具可能 可以提供關鍵觀察在微生物與病毒世界，且如果適當開發可能可以直接用來估計 高生產量的資料。參考資料：Joshua S. Weitz, Evolutio nary Ecology of Bacterial Virusesfeaturesof Microbe Magazi ne April, 2021. :/ asm.0rg/micr0be/index.asp?bid=575

10、03 ASM News圖片亦來自 Evolutionary Ecology of Bacterial Viruses文中附錄FIGURE 1Him r1o*m(ir-?s & C.impuratnnalGanomics; Sk4oa«a| 加欝 Analy$ish Rorcnial D扣吐殆盟SVfi*Brr !： riic|nn¥h 11'DDfeUcal； Ed：|ugy:Tifioty:Evdulona TheoryHigh EMnwnvional Blciofl teal MuAQwntHnttn TTwcry of Bidosk9l ProeMmL

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12、l pftt&H.FIGURE 2DyriarrtaCS g<HarUortta)Nufneni Gydir*gGene 叶何險L 严归 istorv of virus &s from infection to decis ion-making to dynamics, inducing possbJe ingr*ti&n ol virl popPiage into fi# h&sx ch?omM&m#.FIGURE 3RestdentMutantBa呂ic frame*AX>rit of adaptive dy'n.am,谓伯少色 arMidGnt M-ts theequilibrium whichis then dtfect to invas