噬菌体是特异性感染细菌的病毒。它们是地球上最丰富的生物实体，估计有10^31个颗粒。噬菌体在细菌生态、进化中发挥关键作用，并在医学和生物技术中有应用。
噬菌体结构和分类
- 噬菌体由封闭在蛋白质衣壳中的核酸（DNA或RNA，单链或双链）组成。许多具有尾部结构用于宿主识别和基因组注射。
- 研究最多的群体是有尾噬菌体目（Caudovirales），包括肌尾噬菌体科（长收缩尾，如T4）、长尾噬菌体科（长非收缩尾，如λ）和短尾噬菌体科（短尾，如T7）。
- 丝状噬菌体（丝状噬菌体科，如M13）长而细，不裂解宿主。它们从细胞中挤出而不杀死细胞。
裂解周期
- 吸附：噬菌体尾纤维或受体结合蛋白识别特定的细菌表面结构（LPS、孔蛋白、菌毛、鞭毛）。
- 基因组注射：噬菌体穿透细胞包膜并将其核酸注入细胞质。空衣壳保持外部附着。
- 复制和组装：噬菌体劫持宿主机器进行复制、转录和翻译。结构蛋白自组装成原衣壳，基因组DNA由末端酶包装。
- 裂解：穿孔素在内膜上形成孔，使内溶素降解肽聚糖，引起渗透裂解并释放子代病毒体（通常每细胞50-200个）。
溶原周期
- 温和噬菌体（如λ、P1）可将其基因组整合到细菌染色体中作为前噬菌体，或作为质粒复制。
- 前噬菌体随宿主基因组被动复制。溶原性由阻遏蛋白（如λ CI）维持，该蛋白阻遏裂解基因表达。
- 诱导：DNA损伤（通过SOS反应）触发RecA介导的阻遏蛋白自切割，切换到裂解周期。
- 溶原转换：前噬菌体可携带改变细菌表型的基因（毒素、毒力因子），如噬菌体编码的志贺毒素（大肠杆菌O157:H7）、霍乱毒素（霍乱弧菌）和白喉毒素（白喉棒状杆菌）。
噬菌体疗法
- 噬菌体疗法使用裂解性噬菌体治疗细菌感染。优点包括特异性（不伤害共生菌群）、在感染部位自扩增以及对多重耐药病原体的活性。
- 挑战包括宿主范围窄、细菌对噬菌体产生耐药性、药代动力学（免疫清除）和监管障碍。
- 成功应用包括治疗囊性纤维化患者的铜绿假单胞菌感染、金黄色葡萄球菌人工关节感染以及用于同情使用的个性化噬菌体鸡尾酒。
生物技术应用
- 噬菌体展示：丝状噬菌体（M13）展示与衣壳蛋白融合的外源肽，实现抗体文库筛选和蛋白质进化。
- 噬菌体分型：特定的噬菌体面板根据敏感性模式鉴定细菌菌株，用于流行病学监测。
- 诊断工具：经工程改造表达荧光素酶或荧光蛋白的报告噬菌体可实现细菌的快速检测和鉴定。
