噬菌体

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介绍

你知道吗？除了动物、植物和人类，即使是细菌也会被病毒感染？这些病毒被称为“噬菌体”，源于希腊语“phagein”，意思是“捕食”。噬菌体感染细菌并在细菌体内生长，众所周知，病毒需要宿主才能繁殖，而无法在没有宿主的情况下独立增殖。

**弗雷德里克·特沃特**于1915年发现了这些专性细胞内寄生虫，**费利克斯·德埃雷尔**于1917年独立发现了它们。它们通常被称为“噬菌体”。它们是最丰富的生物体，可以在任何细菌丰富的来源中分离出来。噬菌体只捕食细菌，而不会捕食其他微生物。

形态

感染大肠杆菌的T2、T4和T6噬菌体被广泛研究。噬菌体的结构非常简单。它包括一个包含双链DNA的二十面体头部和一个尾部。尾部是圆柱形的，包含连接头部的颈圈或颈部、中央空心管、围绕管的尾鞘和六边形基板。病毒通过尾丝附着在细菌表面。不同噬菌体的结构差异很大。

例如，T1、T5和λ噬菌体缺乏基板，尾部没有鞘，最终形成重要的尾丝。T3和T7具有短的、非收缩的、没有尾丝的尾部。尾部的功能是将噬菌体头部中包含的DNA注射到宿主细菌细胞中。

**图1** - 噬菌体的结构

噬菌体的生命周期

所有病毒，包括噬菌体，都需要活的宿主才能复制和增殖。噬菌体感染细菌并产生子代噬菌体的过程称为噬菌体生命周期。生命周期有两种类型：裂解性（涉及杀死宿主细菌）和溶原性（宿主细菌免于被杀死）。

裂解周期

裂解性感染模式也称为毒性周期，因为它涉及在宿主细菌细胞中繁殖并导致其裂解。裂解周期涉及的步骤如下：

• **吸附/附着** - 这是一个快速的过程。噬菌体通过尾丝与细菌细胞表面的特异性受体位点结合。这些受体位点可能是细菌细胞壁的成分，例如糖蛋白、脂蛋白、碳水化合物、脂质或蛋白质。病毒的氨基酸基团与细菌细胞壁的表面成分之间存在相互作用。噬菌体分泌一种称为溶菌酶的酶进入宿主细胞，**在细菌细胞壁上形成一个孔。这种酶存在于尾丝中**。

• **穿透/注射** - 噬菌体进入细菌宿主细胞的细胞质。附着在宿主细胞表面的尾丝收缩，使基板接触细胞壁。然后，尾鞘收缩，允许中央空心管进入细菌宿主内部。噬菌体DNA分子被注射到细胞质中。一旦DNA释放，衣壳就不再有用。

• **噬菌体成分的生物合成** - 一旦噬菌体DNA进入宿主细胞，细菌的细胞代谢就停止运作，而噬菌体颗粒则像头部和尾部一样合成。

• **组装** - 新形成的噬菌体头部和尾部现在组装成新的子代病毒颗粒。

• **宿主细胞的裂解** - 最后一步包括病毒通过**细胞裂解杀死细菌细胞，导致**子代病毒颗粒被释放。该过程在不同的细菌宿主中重复，这就是噬菌体吞噬细菌的方式。

溶原性周期

这种生命周期模式被称为非感染性或温和周期，因为细菌免于被噬菌体吞噬。参与这种生命周期的噬菌体被称为温和噬菌体或溶原性噬菌体。

溶原性周期涉及的步骤如下：

• **吸附** - 在这里，温和噬菌体或溶原性噬菌体识别细菌宿主的受体位点，并使用尾丝附着在宿主细胞表面。该过程与裂解周期相同。

• **穿透/注射** - 噬菌体DNA进入宿主细胞。此步骤与裂解周期相同。

• **遗传物质整合** - 噬菌体DNA整合或与宿主细胞的遗传物质结合形成前噬菌体。前噬菌体是一种休眠的温和噬菌体，即它保留其DNA，不像裂解周期那样产生噬菌体成分。

• **复制和细胞分裂** - 在有利条件下，溶原性细菌和前噬菌体同步复制并传递给子代。细菌细胞不会受到损害。细胞分裂产生新的子细胞。

• **终止** - 如果溶原性细菌暴露于极端环境条件，如高温、紫外线、诱变剂、过氧化氢、干燥等，溶原性周期就会终止。这个过程称为诱导。整合过程被逆转，噬菌体可以启动裂解周期。

潜伏期

从噬菌体DNA进入宿主细菌细胞到毒性噬菌体在宿主细胞中成熟的这段时间称为“潜伏期”。时间范围可能为15-30分钟。

噬菌体有什么用？

• 它们通过消除食品工业中不需要的细菌作为生物控制剂。

• 它广泛用作基因工程中的载体。

• 它有助于指示环境中的致病菌。

• 与大肠杆菌一样，噬菌体被广泛用作各种研究的模式生物。

• 它通常用于噬菌体疗法治疗细菌感染。

常见问题

问1. 什么是裂解期？

**答：**裂解期也称为上升期，此时宿主细菌细胞发生裂解并释放感染性噬菌体颗粒。

问2. 什么是病毒颗粒？

**答：**成熟的病毒颗粒，由核酸（即DNA或RNA）和能够引起感染的蛋白质外壳构成，被称为病毒颗粒。

问3. 什么是衣壳？

**答：**保护病毒遗传物质（即DNA或RNA）并帮助在宿主细胞之间转移的蛋白质外壳称为衣壳。

问4. 解释溶原性转换。

**答：**当宿主细菌细胞被噬菌体溶原化时，一些噬菌体基因也会表达，导致细菌细胞的特性发生改变。这个过程称为溶原性转换。

问5. 描述噬菌体测定。

**答：**当噬菌体的接种物在含有已知细菌菌株的培养物上进行平板涂布时，在孵育后会出现透明区，代表噬菌体对细菌的作用。这些透明区称为噬菌斑。