我们能把病毒「化敌为友」,让它服务人类吗?

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我们能把病毒「化敌为友」,让它服务人类吗?

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钱程,技术型吃货

来说说食品科学领域的病毒应用。

病毒是可以在食品生产中服务人类的——我们可以拿病毒来做防腐剂。

太长不看版

  1. 噬菌体是专门感染细菌的病毒。用噬菌体去防止食物腐败变质,称为「噬菌体防腐技术」。
  2. 某一种噬菌体只能针对某一种特定细菌,在需要杀灭特定致病菌的场合很有用。
  3. 在一般工业生产时,就需要将不同噬菌体组合成混合试剂来使用。
  4. 噬菌体目前在一些国家已经合法商用了,而且它的安全性是有保证的。

1. 噬菌体是什么?

大家知道,病毒是一种没有细胞结构的生物,它只能寄生在宿主细胞的体内,利用宿主的营养物质来组装蛋白质外壳和核酸内核,来做到繁衍自身。

按照宿主细胞的不同,病毒可以分为动物病毒和植物病毒。前者比如乙型肝炎病毒、禽流感病毒等。它们只会寄生在动物细胞体内。有些会感染人类,引起一些疾病的发生。

乙型肝炎病毒(Hepatitis B Virus)

后者比如烟草花叶病毒,只会寄生在植物体内,引起植物患病,造成农作物减产。

烟草花叶病毒引起的烟草花叶病

在 1915 年左右,科学家发现,在细菌体内其实也有病毒寄生!一种新型的病毒被发现了。这种病毒只会感染细菌,对其他生物都无效。

现在,人们称这种专门侵染细菌的病毒为「噬菌体」(Bacteriophage)。

噬菌体的结构

噬菌体在自然界无处不在。几乎只要是有细菌的地方,都能找到噬菌体。只不过,这种只侵染细菌的病毒,离人类的生活太远了,所以人们一直没有注意到它的存在。

只是在极端偶尔的情况下,在食品厂发酵酸奶、酿酒的时候,会莫名地发酵失败。现在我们终于知道,那是噬菌体捣的鬼,它把发酵必需的细菌给消灭掉了。所以,在现代食品工厂的发酵车间,防止噬菌体污染,也是品控的一部分。

一个很自(feng)然(kuang)的想法是:既然噬菌体是一种专门吃细菌的病毒,而食物腐败变质主要是细菌引起的,能不能往食物里面添加噬菌体,来防止食物腐败变质呢?

这就是「噬菌体防腐技术」的由来。

2. 噬菌体如何防腐?

用噬菌体来防腐,其实没有想象中那么简单,有很多技术问题需要解决。

首先,噬菌体分为烈性噬菌体和温和噬菌体两种,烈性噬菌体在接触到细菌以后,会把核酸注入细菌体内,利用细菌自身的复制系统,复制出一大堆噬菌体核酸和蛋白质外壳,完成自我组装后,细菌会发生裂解,大量噬菌体飘散到外界。这一切都在极短的时间内发生(通常在 2 小时以内)。

噬菌体的生命周期

而温和噬菌体就没有那么暴烈,它在细菌体内,和细菌处于共存的状态,可能会持续到细菌的整个生命周期。这就有点像人体内的单纯疱疹病毒,平时潜伏在神经细胞里,和人体相安无事,只有在极端情况下才爆发来捣捣乱。

烈性噬菌体和温和噬菌体在自然界都广泛存在,但我们如果要用噬菌体来防腐的话,肯定要选用烈性噬菌体,避免选择温和噬菌体——因为我们希望杀菌速度越快越好嘛。所以首先,就得通过噬菌体的定向筛选技术,把烈性的给筛出来。

烈性噬菌体引起细菌裂解的想象图

第二点,噬菌体的抗菌谱往往是极端狭窄的——大部分噬菌体,往往只对某一种细菌有作用,而对其他种类的细菌完全没用。这就需要首先知道引起某种特定食物变质的细菌,然后再有针对性地筛选合适的噬菌体,专门杀灭这种细菌才行。

好在,食物中那些对人类「非常危险」的细菌,其实种类不算太多。举个例子,大部分的大肠杆菌其实不会对人体造成太大伤害,但大肠杆菌的一个特定种类:O157:H7 型(Escherichia coli O157:H7)可以导致严重的出血性腹泻,免疫力低下的人群,还会发展成溶血型尿毒症,从而危及生命。这是食品工业里需要极力避免的「杀手细菌」。

大肠杆菌 O157:H7

与此相似,李斯特菌属里,单核细胞增生型李斯特菌(Listeria monocytogenes是食品工业的「杀手细菌」,是需要极力去避免的。

单核细胞增生型李斯特菌

在这种针对特定类型细菌的场合,筛选出相应类型的噬菌体,做成噬菌体制剂,就可以发挥比较关键的作用了。

但是,在实际生产条件下,我们往往需要防御很多种不同的细菌啊,这时候怎么办呢?可能聪明的你已经想到了,那就把不同的噬菌体放到一起,组合成一个「噬菌体组合试剂」再放到食物里面不就好了。

对,其实现在很多已经投入商业使用的噬菌体制剂都是这样的,他们把这样的试剂称为「噬菌体鸡尾酒(Phage cocktail)」

3. 噬菌体使用指南

把特定的噬菌体筛选出来了,它到底怎么用呢?这就是另外一个问题了。目前在食品工业中,它大约有两种不同的用法。

第一种,当然就是像普通的防腐剂一样,直接加到食品里啦。在这种用法中,要注意的就是一定要保证充分混合均匀,而且量要加够。这样才能使食品的每个部分都要有比较高浓度的噬菌体存在,从而保证食品安全。

第二种是将噬菌体制剂喷涂在食品加工器械的内表面。因为很多食品安全问题都是加工器械受污染导致的,这种做法可以给加工器械「消毒」,使它免除污染。

这两种方法目前都已经投入商用。目前美国,德国,加拿大,以色列等国家,都在法规上认可了噬菌体产品,而且已经有不少成熟的产品进入市场了。在中国,目前噬菌体还暂时不是合法的食品添加剂,但未来,大家可以期待它变为合法。

除了食品工业,噬菌体在农业生产中也有用武之地。比如,给植物喷洒含有噬菌体的农药,来防止某一种特定的细菌疾病,这个技术现在已经比较成熟了。

噬菌体可以用于番茄细菌性溃疡病的防治工作

当然,它也可以应用在畜牧业和水产养殖上面,在饲料中添加一定比例的噬菌体,或是直接把噬菌体播撒在水体中,来代替抗生素,起到防止牲畜、水产间传染病的作用。目前,在中国已经有专门应用在虾养殖中的噬菌体制剂了,它可以防治虾养殖中非常难以防治的「早期死亡综合症(EMS)」。

4. 噬菌体的安全性

说到这里,可能还是有很多人会对噬菌体的安全性有疑虑。其实,噬菌体的安全性也是可以得到保证的。

首先,和所有其他类型的添加剂一样,噬菌体制剂如果想被审批通过,也是需要先通过一系列的毒理实验,致癌实验以及致畸实验,确定没有问题,才能被审核通过,成为合法添加剂。

实际上,从目前美国 FDA 已经批准的产品来看,没有发现这些噬菌体产品有毒性,致癌性和致畸性。以至于,这几款产品在美国是被当做 GRAS(通常被认为安全)添加剂,不设限量,可以按照生产需要来任意添加。

一种噬菌体产品被 FDA 批准成为 GRAS 添加剂

这其实也不难理解,因为这些噬菌体真的只能在那几种特定类型的细菌中生长繁殖,它对人体正常的组织,器官,细胞,其实是「没有用」的。它最终的宿命,要么是被分解成营养物质,吸收进体内,要么是被直接排出体外。

其实,我们每天吃的各种食物里,都含有大量的噬菌体。它们是天然大量存在在自然界的,我们完全没法避免吃到它们。所以,要是噬菌体真的会引起什么问题,那我们每天吃的食物都危险了。

有些人可能会担心,噬菌体是不是会影响肠道菌群,其实这种担心也没有必要。因为工业生产上用的噬菌体,都是用来防止单增李斯特菌,大肠杆菌 O157:H7,沙门氏菌等这些食品中的致病菌的,这些菌本来就不应该在你的肠道出现,不然你就生病了。

噬菌体不会破坏肠道菌群

而噬菌体制剂对你肠道里的共生菌群,是没有杀灭作用的。噬菌体没有那么「广谱」。这一点可能在食品工业中,是制约因素,但在安全性方面,又会变成不折不扣的「优点」。

所以,如果在未来,你看到某种食品的配料表中含有「病毒」,不要大惊小怪——用病毒来防腐,常规操作,常规操作。

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