噬菌體

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生物界,同樣存在類似動植物界食物鏈一樣的關係。「捕食」細菌的生物,正是科學家們研究微生物的一種強有力的工具:噬菌體(Phage)。噬菌體是感染細菌、真菌放線菌螺旋體等微生物的細菌病毒的總稱,作為病毒的一種,噬菌體具有病毒特有的一些特性:個體微小;不具有完整細胞結構;只含有單一核酸。噬菌體基因組含有許多個基因,但所有已知的噬菌體都是在細菌細胞中利用細菌的核糖體蛋白質合成時所需的各種因子、各種氨基酸和能量產生系統來實現其自身的生長增殖。一旦離開了宿主細胞,噬菌體既不能生長,也不能複製。

簡介

引言

  從生物學的角度,自然界中的微生物可以分為真核微生物(Eukaryotic microbes)、原核微生物(Prokaryotic microbes)和病毒(Viruses)三類。我們常說的細菌,屬於原核微生物。在微生物界,同樣存在類似動植物界的食物鏈一樣的關係。「捕食」細菌的,正是科學家們研究微生物的一種強有力的工具:噬菌體(Phage)。

基本概念

  噬菌體[1]是在1907年和1909年分別由Twort和D,Herelle各自獨立發現。噬菌體(bacteriophage, phage)是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱,因部分能引起宿主菌的裂解,故稱為噬菌體。本世紀初在葡萄球菌和志賀菌中首先發現。噬菌體具有病毒的一些特性:個體微小。噬菌體基因組含有許多個基因,但所有已知的噬菌體都是細菌細胞中利用細菌的核糖體、蛋白質合成時所需的各種因子、各種氨基酸和能量產生系統來實現其自身的生長和增殖。一旦離開了宿主細胞,噬菌體既不能生長,也不能複製。   噬菌體分佈極廣,凡是有細菌的場所,就可能有相應噬菌體的存在。在人和動物的排泄物污染井水、河水中,常含有腸道菌的噬菌體。在土壤中,可找到土壤細菌的噬菌體。噬菌體有嚴格的宿主特異性,只寄居在易感宿主菌體內,故可利用噬菌體進行細菌的流行病學鑒定與分型,以追查傳染源。由於噬菌體結構簡單、基因數少,是分子生物學與基因工程的良好實驗系統。

種類

  因為噬菌體主要由蛋白質外殼和核酸組成,所以,可以根據蛋白質外殼或核酸的結構特點對噬菌體進行分類。   根據蛋白質結構分類:   無尾部結構的二十面體:這種噬菌體為一個二十面體,外表由規律排列的蛋白亞單位——衣殼組成,核酸則被包裹在內部。   有尾部結構的二十面體:這種噬菌體除了一個二十面體的頭部外,還有由一個中空的針狀結構及外鞘組成的尾部,以及尾絲和尾針組成的基部。   線狀體:這種噬菌體呈線狀,沒有明顯的頭部結構,而是由殼粒組成的盤旋狀結構。   

噬菌體

噬菌體

噬菌體

無尾部結構的二十面體有尾部結構的二十面體線狀體
迄今已知的噬菌體大多數是有尾部結構的二十面體,這是因為正多面體是多面體里最簡單的結構,搭建起來最容易,所以病毒喜歡採用正多面體的結構。而正多面體一共又只有五種,分別是正4, 6, 8, 12, 20面體,其中正20面體是最接近球形的,也就是在體積相同的情況下,需要更少的材料,更為節省。   根據核酸特點分類:

噬菌體

  ss RNA:噬菌體中所含的核酸是單鏈RNA。   ds RNA:噬菌體中所含的核酸是雙鏈RNA。   ss DNA:噬菌體中所含的核酸是單鏈DNA。   ds DNA:噬菌體中所含的核酸是雙鏈DNA

噬菌機理及侵染過程

噬菌機理

  噬菌體顆粒感染一個細菌細胞后可迅速生成幾百個子代噬菌體顆粒,每個子代顆粒又可感染細菌細胞,再生成幾百個子代噬菌體顆粒。如此重複只需4次,一個噬菌體顆粒便可使幾十億個細菌感染而死亡。當把細菌塗布在培養基上,長成一層菌苔時,一個噬菌體感染其中一個細菌時,便會同上面所說的那樣,把該細菌周圍的成千上萬個細菌感染致死,在培養基的菌苔上出現一個由於細菌被噬菌體裂解后造成的空斑,這便稱為噬菌斑(plaque)。每一噬菌體除了能使宿主細菌裂解死亡外,還有一些噬菌體感染細菌后,並不使細胞死亡,稱為溶原性噬菌體,這些噬菌體感染細菌后,將其自身的基因組整合進宿主細胞的基

噬菌體

因組,此時,這種宿主細菌稱為溶原性細菌。溶原性細菌內存在的整套噬菌體DNA基因組稱為原噬菌體(prophage),溶原性細菌不會產生許多子噬菌體顆粒,也不會裂解;但當條件改變使溶原周期終止時,宿主細胞就會因原噬菌體的增殖而裂解死亡,釋放出許多子代噬菌體顆粒。

侵染過程

  一個典型的噬菌體的侵染細菌的過程,可以分為三個階段:感染階段、增殖階段和成熟階段。   感染階段:噬菌體侵染寄主細胞的第一步是「吸附」,即噬菌體的尾部附著在細菌的細胞壁上,然後進行「侵入」。噬菌體先通過溶菌酶的作用在細菌的細胞壁上打開一個缺口,尾鞘像肌動球蛋白的作用一樣收縮,露出尾軸,伸入細胞壁內,如同注XX器的注XX動作,噬菌體只把頭部的DNA注入細菌的細胞內,其蛋白質外殼留在壁外,不參與增殖過程。   增殖階段:噬菌體DNAXX細菌細胞后,會引起一系列的變化:細菌的DNA合成停止,酶的合成也受到阻抑,噬菌體逐漸控制了細胞的代謝。噬菌體巧妙地利用寄主(細菌)細胞的「機器」,大量地複製子代噬菌體的DNA和蛋白質,並形成完整的噬菌體顆粒。噬菌體的形成是借助於細菌細胞的代謝機構,由本身的核酸物質操縱的。據觀察,當噬菌體侵入細菌細胞后,細菌的細胞質里很快便充滿了DNA細絲,十分鐘左右開始出現完整的多角形頭部結構。噬菌體成熟時,這些DNA高分子聚縮成多角體,頭部蛋白質通過排列和結晶過程,把多角形DNA聚縮體包圍,然後頭部和尾部相互吻合,組裝成一個完整的子代噬菌體。   成熟階段:噬菌體成熟后,在潛伏後期,溶解寄主細胞壁的溶菌酶逐漸增加,促使細胞裂解,從而釋放出子代噬菌體。在光學顯微鏡下觀察培養的感染細胞,可以直接看到細胞的裂解現象。T2噬菌體在37 ℃下大約只需四十分就可以產生100~300個子代噬菌體。子代噬菌體釋放出來后,又去侵染鄰近的細菌細胞,產生子二代噬菌體。

相關介紹

溶原性細菌特點

  第一,溶原性細菌在被噬菌體感染並溶原化后,不會被同種噬菌體再次感染,這是超感染免疫性。   第二,經過若干世代后,溶原性細菌會開始XX溶菌周期,即溶原性細菌的誘發。此時,原噬菌體從宿主基因組上切離下來進行增殖。   λ噬菌體載體不具有質粒載體的抗生素抗性的標記基因;因此,對λ重組分子的選擇主要有下面幾種方法。   ①cI基因功能選擇 cI基因編碼的阻遏蛋白可使感染了λ噬菌體的大腸桿菌XX溶原化狀態。如果在XX型載體的克隆位點上,或是置換型載體的可置換片段中,放上一個cI基因,當外源DNAXX或取代時,便破壞了cI基因,使出現cI-表型。此時,λ重組分子生成的是透亮的噬菌斑,而未重組的λ噬菌體由於仍保有cI基因,所以宿主細菌是溶原化的,就生成混沌的噬菌斑。   ②lac Z基因功能選擇 lac Z基因的產物為盧—半乳糖苷酶,在Xgal—IPTG培養基上顯現藍色。在XX型載體的lac Z基因序列中引入限制性內切核酸酶的切點,外源DNAXX這個克隆位點就會破壞lac Z基因,於是在上述培養基上出現無色的噬菌斑。如果沒有同外源DNA形成λ重組分子,則lac Z基因未遭破壞,在培養基上出現藍色的噬菌斑。   ③spi-選擇λ噬菌體的red和gam基因產物抑制噬菌體在宿主細菌中正常生長,red-和gam-突變型λ噬菌體則可正常生長。當置換型載體的可置換片段中放上red和gam基因后,外源DNA片段取代了置換片段,則同時除去了red、gam基因,就可在宿主菌中生長,否則就不能正常生長。

在生物學上的應用

  由於噬菌體可以將基因XX宿主DNA內的特性,使得它成為了重要的分子和遺傳學研究工具。利用噬菌體,可以設計很多精巧的實驗。下面,舉出一項噬菌體應用的最具代表性的例子。   證明DNA是遺傳物質:   歷史上,生物學家在細胞中總是沒有辦法找到承擔遺傳功能的物質,曾經一度認為蛋白質是遺傳物質,因為它承擔了生命活動的絕大部分功能。但是,1952年赫爾希(Hershey)和沙斯(Chase)兩人利用噬菌體證明了DNA的遺傳功能,為最終確立DNA是主要的遺傳物質奠定了基礎。他們把宿主細菌分別培養在含有35S和32P的培養基中,宿主細菌在生長過程中,就分別被35S和32P所標記。然後,赫爾希等人用T2噬菌體分別去侵染被35S和32P標記的細菌。噬菌體在細菌細胞內增殖,裂解后釋放出很多子代噬菌體,在這些子代噬菌體中,前者被35S所標記,後者被32P所標記。接著,他們用被35S和32P標記的噬菌體分別去侵染未標記的細菌,然後測定宿主細胞的同位素標記。當用35S標記的噬菌體侵染細菌時,測定結果顯示,宿主細胞內很少有同位素標記,而大多數35S標記的噬菌體蛋白質附著在宿主細胞的外面;當用32P標記的噬菌體感染細菌時,測定結果顯示宿主細胞的外面的噬菌體外殼中很少有放XX性同位素32P,而大多數放XX性同位素32P在宿主細胞內。以上實驗表明,噬菌體在侵染細菌時,XX細菌內的主要是DNA,而大多數蛋白質在細菌的外面。可見,在噬菌體的生活史中,只有DNA是在親代和子代之間具有連續性的物質。因此,DNA是遺傳物質。

相關電影

  早在1958年,我國第一位細菌學博士余賀教授,就利用噬菌體成功治療綠膿桿菌燒傷病人的感染,成為微生物學界的一段佳話。這件事情還被拍成了一部名為《春滿人間》的電影。   噬菌體有時有益,有時有害,益是因為它會「吃」掉某些在人體內的病菌,可能起到治病效果。害是因為它可能會「吃」掉一些益菌或其它本身屬於害菌但被人利用做一些有益的事的細菌或真菌(如:大腸桿菌、葡萄球菌、酵母菌等)造成很大的損失。