普遍觀點認為，宿主的運動會加速病毒的傳播。但也有生態(tài)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于不遷徙的同類，感染寄生蟲病的風險顯著降低?；谶@一現(xiàn)象，生態(tài)學家提出了“遷徙淘汰”假說，認為遷徙行為有助于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，其背后的機制尚不清晰。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？
12月3日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所傅雄飛團隊在PNAS上發(fā)表最新研究成果，通過定量合成生物學手段構(gòu)建了一個宿主-病毒共遷徙實驗系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)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中(navigated range expansion)，宿主運動可以抑制病毒傳播，從而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，并且揭示了“遷徙淘汰”的機制：在有方向型的空間擴張遷徙中，未被感染的宿主處于遷徙擴張前沿（front）的前端，而病毒感染者處于后方位置，這種空間位置的有序分布（spatial sorting)導(dǎo)致了病毒感染者更容易被淘汰出去。
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巧妙構(gòu)建可定量、調(diào)控的細菌-噬菌體共遷徙實驗系統(tǒng)
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(gòu)建了細菌-噬菌體共遷徙的實驗室系統(tǒng)，實現(xiàn)了宿主運動性和病毒侵染能力等系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的定量調(diào)控，突破了傳統(tǒng)生態(tài)研究手段的局限。
研究發(fā)現(xiàn)，當細菌被敲除了趨化基因后，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，能通過化學引導(dǎo)進行“定向型空間擴張”，隨著遷移速度的提高，噬菌體的傳播范圍反而越?。▓D1）。
圖 1 （A）細菌-噬菌體空間上的共傳播形成一個扇形感染區(qū)。（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(guān)系
結(jié)論顯示，細菌的趨化運動是抑制病毒傳播的關(guān)鍵。細菌的趨化運動速度越快，病毒傳播范圍越小，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(xiàn)了生物遷徙與病毒傳播之間的“遷徙淘汰”現(xiàn)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(diào)研等，大多數(shù)基于經(jīng)驗性理論，缺乏實驗體系的驗證。該研究借助合成生物學手段構(gòu)建了宿主-病毒互相作用的微生態(tài)系統(tǒng)，利用數(shù)學模型預(yù)測及指導(dǎo)實驗，深入理解了病毒隨宿主空間傳播的特征，為其他病毒傳播問題提供了新思路和新實驗手段。
借助定量合成生物學手段驗證：基于構(gòu)建的細菌-噬菌體空間互相作用的數(shù)學模型預(yù)測結(jié)果，作者借助合成生物學手段，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(diào)控（圖2A），從而證實了細菌的趨化運動速度抑制病毒傳播，并在運動速度比較高的情況下發(fā)生病毒從共傳播狀態(tài)到“遷徙淘汰”狀態(tài)的相變現(xiàn)象（圖2B）。
圖2 （A）細菌運動行為和噬菌體繁殖能力可定量調(diào)控的菌株設(shè)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(fā)現(xiàn)，當細菌群體在趨化作用下向外擴張時，會形成一個細菌數(shù)量恒定的前鋒營，其通過細菌自我繁殖時同步淘汰掉位于后方的個體來實現(xiàn)。模型預(yù)測顯示，由于病毒無法自主移動，不可運動的噬菌體總是落后于可運動的細菌，因此，前鋒營中健康細菌位于前端，而感染者則位于后端并被淘汰。隨著前鋒營運動速度的加快，淘汰速度也相應(yīng)加快，導(dǎo)致感染者從群體中被清除（圖2C），并通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(xiàn)“淘汰病毒”。該研究通過闡明宿主運動與病毒傳播之間的復(fù)雜聯(lián)系，為探討自然界更廣泛的病毒傳播問題提供了新的實驗?zāi)Ｐ秃屠碚摶A(chǔ)，將有助于在流行病學背景下更好地理解傳染病的防控。
通訊作者傅雄飛研究員指出：研究通過在分子層面定量調(diào)控了細菌遷移速度和噬菌體侵染能力，結(jié)合數(shù)理模型，揭示了在定向空間擴張宿主與病毒共遷移系統(tǒng)的時空有序結(jié)構(gòu)，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(tài)學和傳染病學等多學科的交叉融合提供了示范。
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