一种名为 SPARDA 的细菌防御系统采用类似自杀式攻击的策略来保护细胞，未来可能在生物技术领域发挥作用。
艺术家描绘的斯巴达（SPARDA）保卫细菌细胞免受病毒入侵的场景。 （图片来源：Justinas Griciunas）
CRISPR技术开启了基因研究的黄金时代——但在自然界中，存在数百个类似的系统，它们在基因编辑方面拥有尚未开发的潜力。如今，科学家们在解释一种名为SPARDA的神秘系统的工作原理方面取得了巨大进展。
CRISPR系统使科学家能够比以往任何时候都更容易地编辑遗传信息。虽然它最广为人知的用途是基因编辑，但CRISPR实际上是由细菌的免疫防御系统改造而来，用于人类。
杂志上最近的一项研究重点介绍了另一种细菌防御系统，即 SPARDA（短原核 Argonaute，DNase 相关），该研究进展提高了 SPARDA 衍生生物技术工具的潜力，这些工具可以增强目前使用 CRISPR 的诊断方法。
分子精氨酸
该研究的共同作者、立陶宛维尔纽斯大学的生物化学家明道加斯·扎伦巴告诉《生命科学》杂志，在这项新研究之前，研究人员对SPARDA系统的研究非常有限。他们已经证实，构成该系统的蛋白质采取了一种类似自杀式攻击的细胞防御方式，保护广大细菌免受外源DNA的侵害，包括被称为质粒的游离DNA和被称为噬菌体的病毒。
Zaremba 表示：“SPARDA 系统已被证明能够通过降解受感染细胞和入侵者的 DNA 来保护细菌免受质粒和噬菌体的侵害，从而杀死宿主细胞，同时防止感染在细菌群体中进一步传播。”
SPARDA在分子层面的工作原理尚不明确，这促使Zaremba及其团队使用人工智能蛋白质分析工具AlphaFold以及其他一系列分析技术，深入研究SPARDA的运行机制。AlphaFold利用机器学习技术，根据蛋白质底层组成单元的序列来预测其三维结构。
SPARDA系统由Argonaute蛋白构成，因其外形酷似Argonaut章鱼（Argonauta）而得名。这些蛋白最初在植物中被发现，受这些蛋白突变影响的幼苗会生长出狭长的叶片，令科学家们联想到章鱼的触手。Argonaute蛋白在进化过程中高度保守，存在于生物界三大领域的细胞中。
Zaremba 的分析研究了从两种不同的细菌中随机选取的 SPARDA 系统。第一种是自养黄杆菌 (Xanthobacter autotrophicus)，它是一种土壤微生物，能够避光，并利用当地来源的氮来构建食物。第二种是气囊水杆菌 (Enhydrobacter aerosaccus )，它最初发现于密歇根州的温特格林湖，其内部的气囊结构使其能够在水环境中漂浮。
扎伦巴的团队将这些细菌中的SPARDA系统切除，并将它们移植到可靠的模式生物大肠杆菌中进行研究。分子分析表明，它们的每个Argonaute蛋白都包含一个关键的“激活区”。他们将这个区域称为β继电器，因为它类似于通过在“开”或“关”状态之间切换来控制机器的电继电器开关。
当SPARDA系统检测到外部威胁时，这些开关会改变形状。新的形状使蛋白质能够与其他激活的精氨酸蛋白形成复合物。此时，这些蛋白质像列队的士兵一样排列成长长的螺旋状链。这些链会以一种极端的方式切割它们遇到的任何周围DNA，这种反应既不伤害宿主也不伤害入侵者。这阻止了感染扩散到其他细胞。
随后，Zaremba 的团队利用 AlphaFold 软件扫描了类似细菌蛋白中的 β-传递链。相同的开关反复出现，表明这种传递链是此类蛋白质的普遍特征。
SPARDA在诊断中的应用
SPARDA 对细菌防御至关重要，但 Zaremba 的团队认为该系统也可以帮助人类。
激活SPARDA是细菌细胞的最后手段，只有在确诊感染时才会使用。因此，该系统包含一个极其精准的识别系统，用于检测可能导致细菌自毁的外源DNA。
扎伦巴表示，研究人员可以将该系统用于诊断。在这种情况下，可以对β中继器进行改造，使其仅在识别到目标基因序列时才被激活——例如，它只会对流感病毒或SARS-CoV-2的遗传物质做出反应。这种机制是现有基于CRISPR的诊断工具的基础。
然而，CRISPR诊断技术目前功能有限——它只能识别两侧存在特定DNA序列（称为PAM序列）的目标。这些序列就像插头末端的插脚；如果它们与插座不匹配，系统就无法工作。这意味着选择合适的CRISPR蛋白来匹配特定目标至关重要。
“我们已经知道SPARDA系统不需要PAM序列，”Zaremba说道。这意味着它们可以像通用适配器一样发挥作用，使未来的DNA诊断更加灵活，并最终提高检测多种病原体的能力。
CRISPR研究荣获诺贝尔奖，并彻底改变了科学。虽然SPARDA研究尚处于早期阶段，但其内在机制表明，微型生物体的设计或许能为解答科学中最重大的问题提供启示。
一种名为 SPARDA 的细菌防御系统采用类似自杀式攻击的策略来保护细胞，未来可能在生物技术领域发挥作用。
艺术家描绘的斯巴达（SPARDA）保卫细菌细胞免受病毒入侵的场景。 （图片来源：Justinas Griciunas）
CRISPR技术开启了基因研究的黄金时代——但在自然界中，存在数百个类似的系统，它们在基因编辑方面拥有尚未开发的潜力。如今，科学家们在解释一种名为SPARDA的神秘系统的工作原理方面取得了巨大进展。
CRISPR系统使科学家能够比以往任何时候都更容易地编辑遗传信息。虽然它最广为人知的用途是基因编辑，但CRISPR实际上是由细菌的免疫防御系统改造而来，用于人类。
杂志上最近的一项研究重点介绍了另一种细菌防御系统，即 SPARDA（短原核 Argonaute，DNase 相关），该研究进展提高了 SPARDA 衍生生物技术工具的潜力，这些工具可以增强目前使用 CRISPR 的诊断方法。
分子精氨酸
该研究的共同作者、立陶宛维尔纽斯大学的生物化学家明道加斯·扎伦巴告诉《生命科学》杂志，在这项新研究之前，研究人员对SPARDA系统的研究非常有限。他们已经证实，构成该系统的蛋白质采取了一种类似自杀式攻击的细胞防御方式，保护广大细菌免受外源DNA的侵害，包括被称为质粒的游离DNA和被称为噬菌体的病毒。
Zaremba 表示：“SPARDA 系统已被证明能够通过降解受感染细胞和入侵者的 DNA 来保护细菌免受质粒和噬菌体的侵害，从而杀死宿主细胞，同时防止感染在细菌群体中进一步传播。”
SPARDA在分子层面的工作原理尚不明确，这促使Zaremba及其团队使用人工智能蛋白质分析工具AlphaFold以及其他一系列分析技术，深入研究SPARDA的运行机制。AlphaFold利用机器学习技术，根据蛋白质底层组成单元的序列来预测其三维结构。
SPARDA系统由Argonaute蛋白构成，因其外形酷似Argonaut章鱼（Argonauta）而得名。这些蛋白最初在植物中被发现，受这些蛋白突变影响的幼苗会生长出狭长的叶片，令科学家们联想到章鱼的触手。Argonaute蛋白在进化过程中高度保守，存在于生物界三大领域的细胞中。
Zaremba 的分析研究了从两种不同的细菌中随机选取的 SPARDA 系统。第一种是自养黄杆菌 (Xanthobacter autotrophicus)，它是一种土壤微生物，能够避光，并利用当地来源的氮来构建食物。第二种是气囊水杆菌 (Enhydrobacter aerosaccus )，它最初发现于密歇根州的温特格林湖，其内部的气囊结构使其能够在水环境中漂浮。
扎伦巴的团队将这些细菌中的SPARDA系统切除，并将它们移植到可靠的模式生物大肠杆菌中进行研究。分子分析表明，它们的每个Argonaute蛋白都包含一个关键的“激活区”。他们将这个区域称为β继电器，因为它类似于通过在“开”或“关”状态之间切换来控制机器的电继电器开关。
当SPARDA系统检测到外部威胁时，这些开关会改变形状。新的形状使蛋白质能够与其他激活的精氨酸蛋白形成复合物。此时，这些蛋白质像列队的士兵一样排列成长长的螺旋状链。这些链会以一种极端的方式切割它们遇到的任何周围DNA，这种反应既不伤害宿主也不伤害入侵者。这阻止了感染扩散到其他细胞。
随后，Zaremba 的团队利用 AlphaFold 软件扫描了类似细菌蛋白中的 β-传递链。相同的开关反复出现，表明这种传递链是此类蛋白质的普遍特征。
SPARDA在诊断中的应用
SPARDA 对细菌防御至关重要，但 Zaremba 的团队认为该系统也可以帮助人类。
激活SPARDA是细菌细胞的最后手段，只有在确诊感染时才会使用。因此，该系统包含一个极其精准的识别系统，用于检测可能导致细菌自毁的外源DNA。
扎伦巴表示，研究人员可以将该系统用于诊断。在这种情况下，可以对β中继器进行改造，使其仅在识别到目标基因序列时才被激活——例如，它只会对流感病毒或SARS-CoV-2的遗传物质做出反应。这种机制是现有基于CRISPR的诊断工具的基础。
然而，CRISPR诊断技术目前功能有限——它只能识别两侧存在特定DNA序列（称为PAM序列）的目标。这些序列就像插头末端的插脚；如果它们与插座不匹配，系统就无法工作。这意味着选择合适的CRISPR蛋白来匹配特定目标至关重要。
“我们已经知道SPARDA系统不需要PAM序列，”Zaremba说道。这意味着它们可以像通用适配器一样发挥作用，使未来的DNA诊断更加灵活，并最终提高检测多种病原体的能力。
CRISPR研究荣获诺贝尔奖，并彻底改变了科学。虽然SPARDA研究尚处于早期阶段，但其内在机制表明，微型生物体的设计或许能为解答科学中最重大的问题提供启示。
