噬菌體的生長、繁殖及污染

　　噬菌體（bacteriophage）是一類侵害細菌（包括放線菌）的病毒，又稱細菌病毒（bacterialvirus）。具有其他病毒的共同特性：個體小、可通過除菌濾器、沒有細胞結構、非常專一的寄生性等，為非細胞生物。其結構主要由蛋白質和核酸（DNA或RNA）組成。在自然界中分布廣泛，土壤、空氣、水中或生物體內都可存在。據噬菌體與寄主細胞的關係可分為烈性噬菌體（virulent phage）和溫和噬菌體（temperate phage）兩類。前者改變寄主的性質，大量產生新的噬菌體，最後導致菌體裂解死亡；後者可因生長條件的不同，即可引起寄主細胞的裂解死亡，又可將其核酸整合到細菌的染色體上，使細菌細胞繼續生長繁殖，並被溶原化。　　噬菌體的危害主要存在於發酵工業，如乳製品、酶製劑、氨基酸、有機溶劑、抗生素、微生物農藥和菌肥生產等。由於它的個體比細菌小數百倍，可以附著於塵埃上隨風飄移，因此能長久地擴散和傳播到一定的範圍，並能脫離寄主而存活。它在寄主細胞內能大量迅速繁殖子代噬菌體，如在十幾分鐘至一個小時左右，一個細胞感染一個噬菌體後可以釋放出數十個至數百個子代噬菌體。一旦發生噬菌體污染，會導致發酵異常、倒罐，使工業生產遭到嚴重損失。　　由於噬菌體的結構比細菌和高等細胞簡單，故廣泛用於複製、轉錄和調節機理的研究。λ噬菌體以原噬菌體方式存在於大腸桿菌K12株系中，利用紫外線誘導可以釋放λ噬菌體，可感染已經喪失了λ噬菌體的大腸桿菌株系。λ噬菌體在大腸桿菌中可裂解生長或整合到寄主染色體中複製。λ-DNA可在體外包裝成病毒顆粒，高效地感染大腸桿菌；可以把25kb長的外源DNA插入λ-DNA，引入受體細胞；另外重組λ-DNA的篩選和保藏較易，故常作為分子克隆的載體。

一、噬菌體的形態和構造 　從形態學上可將噬菌體分為六群，其中1、2、3群有頭部、尾部之分，為蝌蚪形：4、5兩群沒有尾部，是微球形，6群為纖維形噬菌體，是一條略呈彎曲的纖絲。目前我國谷氨酸發酵中所發現的噬菌體，均屬蝌蚪形。

　　侵染棒桿菌的一種噬菌體具有頭部和尾部，頭部呈明顯的六邊形，頭部大小約為55nm。它是一種非收縮尾噬菌體，尾部呈桿形或彎曲，長約193nm×12nm。尾部末端可看到六個明顯的釘狀刺突，其中三個在一個平面上，另外三個在另一個平面上，兩個平面互相平行，且垂直於尾。六個刺突在垂直投影面上形成六個角。

　　T奇數噬菌體有多種，已報道的侵染北京棒桿菌的噬菌體有四種，這四種噬菌體是A2、A3、A133和A155。A133是收縮尾，A2、A3和A155是非收縮尾。尚未報道這四種噬菌體的尾端有刺突。

　　噬菌體的化學成分絕大部分是核酸和蛋白質，它們占粒子重量的90％以上，其中核酸佔40％～50％，多數噬菌體的核酸是單鏈或雙鏈DNA，但近十多年來，發現不少的噬菌體所含的核酸就是RNA。噬菌體的外殼由蛋白質組成。

二、噬菌體的生長和繁殖 　　噬菌體的生長和繁殖過程包括五個步驟，即吸附（adsorption）、侵入（injection）、增殖（replication）、成熟（maturity）和釋放（release）（圖2-127）。（一）吸附 　　吸附是噬菌體的吸附器官（尾絲、基板和刺突）與敏感寄主細胞的特殊位點的接觸（圖2-128）。尾絲首先觸及寄主細胞表面，然後基板和刺突固定。一般說，噬菌體對寄主要求專一性很強，比如，產谷氨酸的北京棒桿菌噬菌體就嚴格地限於侵染北京棒桿菌。但也有些噬菌體也可以感染相近的種或屬的菌株，如四環素生產菌的噬菌體。敏感的細胞並非整個細胞各處皆可吸附，須在特殊位點，而且大腸桿菌的受點還依噬菌體而異。T3、T4和T7噬菌體的特殊位點是脂多糖層；T2和T6是脂蛋白質，雄性專一噬菌體是F+細胞的纖毛。當然，噬菌體吸附的寄主細胞和特殊位點的專一性並非一致，程度有差異。

（二）侵入 　　吸附後，尾絲收縮，感染過程開始，對T類噬菌體就開始收縮尾鞘，結果不僅尾髓插入細胞壁，而且會像注射一樣將DNA打入細胞內。蛋白質的外殼仍在壁外，而線狀噬菌體fd則全部進入寄主細胞。從吸附到侵入時間很短，如T4僅需15s。

（三）增殖 　　噬菌體一侵入，增殖即開始，即核酸的複製和蛋白質的合成。先利用寄主的RNA聚合酶轉錄，噬菌體的mRNA被寄主的蛋白質合成體系翻譯，形成一系列新的早期蛋白質。在T類噬菌體中，早期蛋白質包括一種新的DNA聚合酶，分解寄主的DNA的核酸酶，合成5-羥甲基胞嘧啶和它的ATP所必需的酶，以及轉錄形成後期蛋白質基因所需的蛋白質。然後開始噬菌體核酸的複製。在含有雙股DNA的噬菌體中，複製過程與一般DNA複製相似。在含單股DNA的噬菌體如ΦX174中，一條互補的DNA被合成，形成了雙股DNA，接著再以此作模板合成RNA和子代DNA。第二步是後期蛋白質開始出現。在T類噬菌體中，合成的後期蛋白質是噬菌體頭和尾成分的亞單位，還有噬菌體的溶菌酶。這種酶能分解寄主細胞壁的肽聚糖。（四）成熟 　　當所有噬菌體結構成分都已合成時，成熟過程（即「裝配」）便開始。在T4中，裝配一個成熟噬菌體約需30種不同的蛋白質，而且至少具有47種基因功能。其過程先是DNA的凝聚，頭的亞單位被組裝成頭部，尾和尾絲也各自組成。然後按從頭至尾的順序自我裝配，最後將尾絲裝上，形成一個完整的噬菌體（圖2-130）。（五）釋放 　　噬菌體繁殖的最後階段是裂解釋放出子代噬菌體。裂解T類噬菌體感染的細胞要涉及兩個或更多基因的作用，至少一個作用於細胞膜，另一個具有溶菌酶的作用將分解壁的肽聚糖，線狀噬菌體則不裂解寄主細胞，可能是通過擠壓而衝出細胞壁。　　每種噬菌體侵入敏感細胞，每個細胞最後能裝配完成和釋放出的噬菌體數稱為裂解量，它是相對固定的。如T4為100，ΦX174為1000，f2為10000，T2為200；谷氨酸產生菌的噬菌體為50～150。　　圖2-131為噬菌體一步生長曲線，這是定量描述烈性噬菌體生長規律的實驗曲線。實驗時必須用噬菌體去感染高濃度的寄主細胞，以保證每個細胞所吸附的噬菌體至多只有一個。由於眾多寄主細胞的裂解不可能同步，所以釋放期較長。

（六）噬菌體效價的測定 　　效價（titre）在這裡的含義是表示每毫升試樣中所含具有感染性噬菌體的數量，也稱噬菌斑形成量（plaque-forming unit）。　　測定效價的方法常用雙層平皿法。在已倒2％瓊脂下層的平皿上，將1％瓊脂上層培養基與敏感寄主細胞和噬菌體試樣稀釋液混勻凝固後，37℃培養10多個小時，平皿表面會形成具有一定形狀、大小和透明度的噬菌斑。由於一個噬菌體先侵染一個細胞，然後以此為起點再反覆侵染周圍大量細胞，結果形成可觀察到的一個噬菌斑。據知一個直徑2mm的噬菌斑含有107～109個噬菌體。

三、噬菌體的生活史 　　噬菌體有兩類，大多數噬菌體是烈性的，如T4、T7、ΦX174等，它們在生長循環結束時就殺死細胞，其過程就像整個生長繁殖過程。不過，在自然界還存在另一種噬菌體，稱為溫和性噬菌體。　　溫和性噬菌體感染一個敏感細菌菌株時，根據各種遺傳和生理條件，有兩種可能的行為，即一些細胞被噬菌體增殖所裂解，而另一些則被溶原化。　　溫和性噬菌體侵入寄主細胞後，由於前者的基因組整合到後者的DNA上，並隨寄主細胞的複製而進行同步複製，不引起寄主細胞裂解的現象稱「溶原化」。能引起溶原化的噬菌體即稱溫和性噬菌體，已整合到寄主DNA上的噬菌體就稱「原噬菌體」，這時的寄主就稱「溶原菌」（lysogenic bacteria）。以「原噬菌體」的方式嵌存於寄主的DNA中，可隨寄主繁殖，延續傳代，「和平共處」，一般不引起細胞裂解。產生溶原化的菌株的命名方法是，在菌株名稱後加上括弧，括弧內是它們所攜