噬菌体简介

刘学廷

(江苏省淮安中学 223200)

噬菌体是一类病毒，因能感染细菌，引起其裂解，所以称为噬菌体，又称细菌病毒。它们由英国科学家F.W.Twort和法裔加拿大微生物学家F.d.Herlle分别于1915年和1917年发现并命名。据报道,除了广为人知的以大肠杆菌为宿主的T 2噬菌体外，至今已作过电镜观察的噬菌体至少有2850种(株), 其中有2700 种(株)是有尾的[1]，它们都具有病毒的共同特征：个体微小、无细胞结构、只含DNA或RNA一种核酸、一旦离开宿主既不能生长也不能复制。近年来还发现，噬菌体除了感染细菌外，还能感染真菌、藻类、放线菌或螺旋体等微生物。

1 噬菌体的种类

噬菌体主要由蛋白质和核酸构成，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。根据蛋白质结构可将噬菌体分为3类：①无尾部结构的20面体，外表由规律排列的蛋白质组成的衣壳，核酸则被包裹在内部，电镜下观察这类噬菌体为球状；②有尾部结构的20面体，除了20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，以及尾丝和尾刺(尾针、刺突)组成的基部，电镜下观察这类噬菌体呈蝌蚪状；③线状体，这类噬菌体没有明显的头部结构，而是由蛋白质壳粒组成的盘旋状结构，电镜下观察其形状为线状。

目前已知的噬菌体大多数是有尾部结构的正20面体(另外还有正4面体、6面体、8面体和12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。正20面体最接近球形，在体积相同的情况下，需要更少的材料，更为节省。

根据核酸特点可将噬菌体分为4类： 单链RNA(ssRNA)、双链RNA(dsRNA)、单链DNA(ssDNA)和双链DNA(dsDNA)。此外，噬菌体还有环状和链状之分。

综合噬菌体的形状、蛋白质和核酸组成等特点，并根据有无头部和尾部可细分为A～F六种类型(表1[2])。

表1 噬菌体的形态特征

2 噬菌体的结构

噬菌体的结构比较简单，一般分为头尾两部。头部为蛋白质构成的衣壳组成，通常为对称的多边体，核酸位于头部的核心；尾部通常为一长管，有的噬菌体的尾部末端还有尾丝，用以吸附在细菌上。有的噬菌体没有尾或尾很短，也没有尾丝。以T 4噬菌体为例，由头部、颈部、尾部三部分组成，其中头部呈20面体对称，主要由蛋白质组成，头部的核心是双链线状DNA，头部和尾部之间是颈环和颈须组成的颈部，尾部由尾管、尾鞘、尾板(基板)、尾刺、尾丝五部分构成，其中尾管是噬菌体中的核酸注入宿主细胞的必由之路，尾丝为专一吸附在宿主细胞受体的结构，当尾丝吸附到宿主细胞表面时，尾鞘发生收缩，导致尾管插入宿主细胞，进而头部的核酸通过中空的尾管注入宿主细胞内，犹如注射器肌肉注射药物一样。

3 噬菌体的繁殖

噬菌体的种类繁多，但噬菌体的繁殖过程基本一致，一般分为五个阶段：吸附→侵入→复制合成→成熟(装配)→释放。

吸附：当噬菌体与宿主细胞接触后，其尾丝尖端与宿主细胞的特异性受体接触，触发尾丝展开，进而吸附在宿主细胞表面，然后噬菌体的尾刺和尾板固定在宿主细胞上，不同的噬菌体有不同的吸附位点。

侵入：吸附后，尾管释放少量的溶菌酶破坏细菌的细胞壁，进而打开一个缺口，然后尾鞘像肌动蛋白和肌球蛋白的作用一样收缩，导致尾管伸入细胞壁内，把头部的DNA注入宿主的细胞内，其蛋白质外壳留在壁外，不参与增殖过程。

复制合成阶段：此阶段包括DNA的复制和蛋白质的合成，噬菌体DNA进入宿主细胞后，逐渐控制了细胞的代谢，使细菌的DNA合成停止、酶的合成受到阻抑。然后噬菌体利用宿主细胞的场所、物质和能量，大量地复制子代噬菌体的DNA和合成噬菌体的蛋白质，并形成完整的噬菌体颗粒。

成熟：噬菌体的成熟过程实质是噬菌体的各部件组装过程，例如，T 4噬菌体组装过程如下：DNA分子缩合→衣壳包裹DNA形成头部→尾部装配(包括尾板装上尾管，再装上尾鞘)→头部与尾部结合→装上尾丝。

释放：当宿主细胞内的大多数噬菌体成熟后，由于溶菌酶水解细胞壁、脂肪酶水解细胞膜，导致宿主细胞裂解，释放子代噬菌体(有一些丝状噬菌体以分泌方式从受染细胞中释放出来，它不裂解宿主细胞，但宿主细胞的生长速度却大大降低)。

能完成上述五个步骤，可使宿主细胞裂解死亡的噬菌体也称为烈性噬菌体。还有一些噬菌体感染细菌后，并不裂解宿主细胞，而是将其自身的DNA整合进宿主细胞的DNA上，并随宿主细胞DNA复制而同步复制，这种噬菌体称为温和噬菌体。其核酸一般为dsDNA，如P 1和P 2噬菌体。整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体，带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌。前噬菌体偶尔可自发地或在某些理化和生物因素的诱导下脱离宿主基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解[3]。

4 噬菌体的应用

4.1 噬菌体在医药上的应用 由于噬菌体能特异性的裂解并杀死细菌，因此噬菌体是一种潜在的治疗细菌感染的新型制剂。早在多年之前，医学专家曾设想：能否利用某些特定的噬菌体来消灭那些对人类健康构成极大威胁的致病菌，例如，d′Herelle 在1919 年首次尝试用噬菌体治疗禽类流感(沙门氏菌)、家兔痢疾(志贺氏菌)和牛出血性败血症(巴氏杆菌)；Richard Bruynoghe 和Joseph Maisin 在1921年尝试使用噬菌体来治疗金黄色葡萄球菌引起的人类皮肤病；1930—1939年间，许多研究者和公司纷纷将噬菌体治疗商业化，噬菌体研究进入快速发展时期[4]。

然而，由于抗生素的发明，并因其良好的治疗效果，人们逐渐放弃了对噬菌体治疗疾病的研究，转而投入抗生素的研究中。而抗生素的滥用导致抗药性的出现，人们又将目光重新投入噬菌体治疗人类和动物疾病的研究上，并取得了阶段性成果。例如，Litvinova用噬菌体和双歧杆菌联合治疗因抗生素导致菌群失调的患儿，患儿症状获得明显改善；有的科学家采用多种噬菌体联合处理的“鸡尾酒”疗法，即利用多种噬菌体共同裂解病原菌；有的科学家还将噬菌体与抗生素结合使用，以杀灭病原菌，目的是利用噬菌体使病原菌变得脆弱，再利用抗生素将病原菌杀灭，或者利用噬菌体将大部分病原菌杀灭，而利用抗生素杀灭抗噬菌体的菌株[5]。

4.2 噬菌体在食品工业上应用 在食品生产的各个环节，利用噬菌体杀灭或抑制病原菌。例如，在奶牛挤奶之前，给其服用噬菌体制剂，杀灭其体内的细菌，减少牛奶中的病原菌污染；对食品加工的地面、墙壁上和加工设备等也可用噬菌体来净化，如用噬菌体混合物处理被阪崎肠杆菌污染的不锈钢盘表面后，没有再发现该菌，而未被处理的对照组仍有该菌存活，甚至可轻微生长；还可以用噬菌体作为天然防腐剂延长食品的储存期，用噬菌体作为抗菌剂对新鲜的水果消毒，用噬菌体来检测食品中的致病菌[6]。由于噬菌体具有严格的宿主特异性，在杀灭食源性致病菌的同时不会杀死生产中的发酵菌株。因此，在食品生产中使用噬菌体是安全可靠的。

4.3 噬菌体在水产业上应用 随着水产业的发展，高产、高密度养殖的比例增加以及环境条件的恶化，水产经济动物的发病率逐年增加。以往，针对病原菌的治疗往往局限在大量使用抗生素和消毒剂，导致病原菌耐药性增加。目前，噬菌体作为细菌病毒在水产养殖上广泛受到世人的关注并有不少成功案例。例如，Park 等将两株绿脓假单胞菌噬菌体与饲料混合喂食鱼，成功治愈鱼的细菌性血型腹水；Nakai等发现，通过注射或者口服加氏乳球菌噬菌体，治疗鲱鱼加氏乳球菌感染取得理想效果；李太武等使用一定浓度的噬菌体有效的治愈或推迟脓疱病引起的鲍死亡，将鲍的成活率提高50%以上[7]。

4.4 噬菌体在基因工程中的应用 表达载体的构建是基因工程的重要环节，理想的载体一般有以下几点要求：能在宿主细胞中复制繁殖，容易进入宿主细胞，要有合适的限制性核酸内切酶位点，容易从宿主细胞中分离纯化出来，有容易被识别筛选的标志。由于噬菌体具有侵染宿主细胞并能将自身DNA插入宿主细胞DNA中，进而改变宿主细胞性状的特性，因此，目前用感染大肠杆菌的λ噬菌体改造成的载体在基因工程中的应用最为广泛。λ噬菌体基因组中，有一半是自身生命活动必需的必要基因，另一半则是对自身生命活动无重大影响的非必要基因，可将外源基因取代非必要基因，并使其去感染大肠杆菌，并随噬菌体的溶菌过程而繁殖。利用改造的λ噬菌体感染大肠杆菌要比质粒转化细菌的效率高得多。