从其他物种窃取基因被称为水平基因转移。它在细菌中很常见，虽然在更大、更复杂的生物中并不常见，但越来越多的例子正在曝光。
我们在一篇新论文中表明，一群鲜为人知的微观动物花了数百万年的时间从细菌中复制抗生素配方，并用它们来对抗感染。我们认为这种不寻常的防御策略可以为开发抗菌治疗的竞赛提供捷径。
全球每年有超过 120 万人被耐药细菌杀死。抗生素用于治疗严重的细菌感染。类似的抗真菌药物可以治疗酵母菌和霉菌引起的感染，而这种感染的数量也在增加。
这些抗菌化学物质对现代医学至关重要， 但随着抵抗力的增加，世界卫生组织最近警告说 对新药的迫切需求。
这种患病的轮虫已被真菌接管并杀死。 CG Wilson 2024 ，作者提供
像许多科学家一样，我们担心抗菌素耐药性，但我们认为我们的日常研究与此没有太大关系。我们花时间在显微镜下观察头发丝大小的微小动物。大多数人从未听说过这些生物。它们有一个奇怪的名字：蛭形轮虫。发音为 DELL-oid WROTE-if-furs，意思是“头上带着轮子的爬行动物”。它们生活在世界各地有淡水的地方：池塘、溪流和湖泊，甚至水有时会干涸或结冰的地方，如苔藓、土壤、水坑和冰盖。
它们大约十分之一的基因是从不同种类的生命中复制的，包括细菌、真菌甚至植物。为了了解这些基因在动物身上有多不合时宜，想象一下一只猫的毛皮中散落着草叶，或者一只尾巴是蘑菇的狗。
轮虫是微观动物，比它们所吃的细菌等微生物更复杂，而它们的细菌大约小五百倍。 CG Wilson 2024 ，作者提供
目前还没有其他动物能够如此大规模地导入基因。早期的研究发现，轮虫数百万年来一直在获取不属于它们的DNA，但一个大谜团是它们如何处理这数千个被盗的基因。
从其他物种窃取基因被称为水平基因转移。它在细菌中很常见，虽然在更大、更复杂的生物中并不常见，但越来越多的例子正在曝光。科学家们仍然不确定这是如何发生的，但转移的基因通常会发挥一些功能，使它们的新主人在生存进化斗争中获得优势。
当我们将轮虫暴露于一种专门感染它们的致命真菌疾病时，我们发现它们打开了数百个被盗的基因来抵抗感染，这远远超出了偶然的预期。
我们的下一个惊喜是这些被盗基因的作用。最强烈激活的基因看起来像是我们认为动物无法制造的抗菌化学物质的指令。
大多数抗菌剂不是人类发明的。它们是细菌和真菌相互对抗而产生的天然产物。想象一下地上有一个熟透的苹果。如果霉菌能够阻止其他微生物进入，第一个霉菌会生长得更好，因此它会产生化学物质来杀死竞争对手。大多数真菌和细菌的 DNA 中都有这些化学物质的配方，人类有时可以收获这些化学物质或人工制造它们作为患者、动物和农作物的治疗方法。
我们的新研究表明，蛭形轮虫已将抗菌配方写入其 DNA 中。通过追踪基因激活模式，我们观察到他们使用其中一种配方来对抗侵袭他们的真菌疾病。感染后幸存下来的动物的产量是死亡动物的十倍。我们利用一些同事制作的图谱研究了轮虫的 DNA。我们发现了 30 或 40 多种备用化学配方，它们看起来与任何已知的抗生素都不同。
我们认为这些小动物可能成为寻找抗菌药物来应对耐药感染的盟友。蛭形轮虫有数百种，它们花了很多时间来复制和测试微生物留下的食谱。
大多数来自微生物地盘争夺战的天然化学物质对动物来说是有毒的（比如发霉的苹果）。只有少数可以转化为治疗方法，而且要判断哪些是安全的既困难又昂贵。如果轮虫已经在自己的细胞中制造化学物质，这暗示它们可能已经调整或选择了对其他动物（可能包括人类）更安全的配方。
性饥饿轮虫
我们的工作提出的一个大问题是，为什么轮虫是唯一已知具有如此极端水平的 DNA 盗版的动物。这听起来可能很奇怪，但我们认为部分原因是他们没有获得足够的性生活。
与其他已知动物不同，所有蛭形轮虫都是雌性，自被发现以来的 300 年来从未见过雄性。轮虫母亲产下的卵孵化成自身的基因复制品，没有性、精子或受精。
像这样复制自己是增加数量的快速方法，但从长远来看，它通常会付出很大的代价。传染病总是在变化，最近的新冠肺炎疫情就是如此。当动植物发生性行为时，它们的基因会被重组成新的组合，这有助于下一代抵抗疾病。科学家认为，通过精确复制自身来繁殖的生物体可能会遇到麻烦，因为如果一个个体被感染，这种疾病很容易传播给具有相同基因的所有其他个体。
如果这种想法是正确的，那么性饥饿的轮虫需要其他方法来控制疾病。如果他们不能轻易地通过性行为重组自己的基因，那么从其他地方获取 DNA 可能是一个有用的权宜之计。这可以解释为什么大量被盗基因对感染有反应。
一种新药可能需要几十年的时间才能获得监管机构的批准，而且只有一小部分治疗方法能够通过医学试验。然而，正如生物学中经常发生的情况一样，研究花费数百万年时间解决类似问题的生物可能会带来令人惊讶的可能性。
作者
克里斯·威尔逊 牛津大学生物学讲师
鲁本·诺埃尔 斯特灵大学动物进化生物学讲师
蒂姆·巴拉克拉夫 牛津大学进化生物学教授