噬菌体

从生物学的角度，自然界中的微生物可以分为真核微生物（Eukaryotic microbes）、原核微生物（Prokaryotic microbes）和病毒（Viruses）三类。我们常说的细菌，属于原核微生物。在微生物界，同样存在类似动植物界的食物链一样的关系。“捕食”细菌的，正是科学家们研究微生物的一种强有力的工具：噬菌体（Phage）。

噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的细菌病毒的总称，本世纪初由D.Herelle和Twort各自独立于葡萄球菌和志贺菌中发现的。作为病毒的一种，噬菌体具有病毒特有的一些特性：个体微小；不具有完整细胞结构；只含有单一核酸。噬菌体基因组含有许多个基因，但所有已知的噬菌体都是在细菌细胞中利用细菌的核糖体、蛋白质合成时所需的各种因子、各种氨基酸和能量产生系统来实现其自身的生长和增殖。一旦离开了宿主细胞，噬菌体既不能生长，也不能复制。

因为噬菌体主要由蛋白质外壳和核酸组成，所以，可以根据蛋白质外壳或核酸的结构特点对噬菌体进行分类。

根据蛋白质结构分类：
无尾部结构的二十面体：这种噬菌体为一个二十面体，外表由规律排列的蛋白亚单位——衣壳组成，核酸则被包裹在内部。
有尾部结构的二十面体：这种噬菌体除了一个二十面体的头部外，还有由一个中空的针状结构及外鞘组成的尾部，以及尾丝和尾针组成的基部。
线状体：这种噬菌体呈线状，没有明显的头部结构，而是由壳粒组成的盘旋状结构。

无尾部结构的二十面体	有尾部结构的二十面体	线状体

迄今已知的噬菌体大多数是有尾部结构的二十面体，这是因为正多面体是多面体里最简单的结构，搭建起来最容易，所以病毒喜欢采用正多面体的结构。而正多面体一共又只有五种，分别是正4, 6, 8, 12, 20面体，其中正20面体是最接近球形的，也就是在体积相同的情况下，需要更少的材料，更为节省。

根据核酸特点分类：

ss RNA：噬菌体中所含的核酸是单链RNA。

ds RNA：噬菌体中所含的核酸是双链RNA。

ss DNA：噬菌体中所含的核酸是单链DNA。

ds DNA：噬菌体中所含的核酸是双链DNA。

 

 

 

 

 

噬菌体颗粒感染一个细菌细胞后可迅速生成几百个子代噬菌体颗粒，每个子代颗粒又可感染细菌细胞，再生成几百个子代噬菌体颗粒。如此重复只需4次，一个噬菌体颗粒便可使几十亿个细菌感染而死亡。当把细菌涂布在培养基上，长成一层菌苔时，一个噬菌体感染其中一个细菌时，便会同上面所说的那样，把该细菌周围的成千上万个细菌感染致死，在培养基的菌苔上出现一个由于细菌被噬菌体裂解后造成的空斑，这便称为噬菌斑(plaque)。每一噬菌体除了能使宿主细菌裂解死亡外，还有一些噬菌体感染细菌后，并不使细胞死亡，称为温和噬菌体，这些噬菌体感染细菌后，将其自身的基因组整合进宿主细胞的基因组，此时，这种宿主细菌称为溶原性细菌。溶原性细菌内存在的整套噬菌体DNA基因组称为原噬菌体(prophage)，溶原性细菌不会产生许多子噬菌体颗粒，也不会裂解；但当条件改变使溶原周期终止时，宿主细胞就会因原噬菌体的增殖而裂解死亡，释放出许多子代噬菌体颗粒。溶原性细菌有两个特点。第一，溶原性细菌在被噬菌体感染并溶原化后，不会被同种噬菌体再次感染，这是超感染免疫性。第二，经过若干世代后，溶原性细菌会开始进入溶菌周期，即溶原性细菌的诱发。此时，原噬菌体从宿主基因组上切离下来进行增殖。

一个典型的噬菌体的侵染细菌的过程，可以分为三个阶段：感染阶段、增殖阶段和成熟阶段。

感染阶段：噬菌体侵染寄主细胞的第一步是“吸附”，即噬菌体的尾部附着在细菌的细胞壁上，然后进行“侵入”。噬菌体先通过溶菌酶的作用在细菌的细胞壁上打开一个缺口，尾鞘像肌动球蛋白的作用一样收缩，露出尾轴，伸入细胞壁内，如同注射器的注射动作，噬菌体只把头部的DNA注入细菌的细胞内，其蛋白质外壳留在壁外，不参与增殖过程。
增殖阶段：噬菌体DNA进入细菌细胞后，会引起一系列的变化：细菌的DNA合成停止，酶的合成也受到阻抑，噬菌体逐渐控制了细胞的代谢。噬菌体巧妙地利用寄主(细菌)细胞的“机器”，大量地复制子代噬菌体的DNA和蛋白质，并形成完整的噬菌体颗粒。噬菌体的形成是借助于细菌细胞的代谢机构，由本身的核酸物质操纵的。据观察，当噬菌体侵入细菌细胞后，细菌的细胞质里很快便充满了DNA细丝，十分左右开始出现完整的多角形头部结构。噬菌体成熟时，这些DNA高分子聚缩成多角体，头部蛋白质通过排列和结晶过程，把多角形DNA聚缩体包围，然后头部和尾部相互吻合，组装成一个完整的子代噬菌体。
成熟阶段：噬菌体成熟后，在潜伏后期，溶解寄主细胞壁的溶菌酶逐渐增加，促使细胞裂解，从而释放出子代噬菌体。在光学显微镜下观察培养的感染细胞，可以直接看到细胞的裂解现象。T2噬菌体在37 ℃下大约只需四十分就可以产生100～300个子代噬菌体。子代噬菌体释放出来后，又去侵染邻近的细菌细胞，产生子二代噬菌体。

由于噬菌体可以将基因插入宿主DNA内的特性，使得它成为了重要的分子和遗传学研究工具。利用噬菌体，可以设计很多精巧的实验。下面，举出一项噬菌体应用的最具代表性的例子。

证明DNA是遗传物质：
历史上，生物学家在细胞中总是没有办法找到承担遗传功能的物质，曾经一度认为蛋白质是遗传物质，因为它承担了生命活动的绝大部分功能。但是，1952年赫尔希(Hershey)和沙斯(Chase)两人利用噬菌体证明了DNA的遗传功能，为最终确立DNA是主要的遗传物质奠定了基础。他们把宿主细菌分别培养在含有35S和32P的培养基中,宿主细菌在生长过程中，就分别被35S和32P所标记。然后，赫尔希等人用T2噬菌体分别去侵染被35S和32P标记的细菌。噬菌体在细菌细胞内增殖，裂解后释放出很多子代噬菌体，在这些子代噬菌体中，前者被35S所标记，后者被32P所标记。接着，他们用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的细菌，然后测定宿主细胞的同位素标记。当用35S标记的噬菌体侵染细菌时，测定结果显示，宿主细胞内很少有同位素标记，而大多数35S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外面；当用32P标记的噬菌体感染细菌时，测定结果显示宿主细胞的外面的噬菌体外壳中很少有放射性同位素32P，而大多数放射性同位素32P在宿主细胞内。以上实验表明，噬菌体在侵染细菌时，进入细菌内的主要是DNA，而大多数蛋白质在细菌的外面。可见，在噬菌体的生活史中，只有DNA是在亲代和子代之间具有连续性的物质。因此，DNA是遗传物质。

《Brock Biology of Microorganisms》，11 edition。