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在微生物界,同样存在类似动植物界的食物链一样的关系。“捕食”细菌的生物,正是科学家们研究微生物的一种强有力的工具:噬菌体(Phage)。噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的细菌病毒的总称,作为病毒的一种,噬菌体具有病毒特有的一些特性:个体微小;不具有完整细胞结构;只含有单一核酸。噬菌体基因组含有许多个基因,但所有已知的噬菌体都是在细菌细胞中利用细菌的核糖体、蛋白质合成时所需的各种因子、各种氨基酸和能量产生系统来实现其自身的生长和增殖。一旦离开了宿主细胞,噬菌体既不能生长,也不能复制。

简介

引言

生物学的角度,自然界中的微生物可以分为真核微生物(Eukaryotic microbes)、原核微生物(Prokaryotic microbes)和病毒(Viruses)三类。而真核细胞与原核细胞最本质的区别就在于:真核细胞有核膜包被的细胞核,而原核细胞则没有。我们常说的细菌,因为没有核膜包被的细胞核,准确地说是拟核,所以说细菌属于原核微生物。在微生物界,同样存在类似动植物界的食物链一样的关系。“捕食”细菌的,正是科学家们研究微生物的一种强有力的工具:噬菌体(Phage)。

基本概念

噬菌体是在1907年和1909年分别由Twort和D,Herelle各自独立发现。噬菌体(bacteriophage, phage)是感染细菌、真菌放线菌螺旋体微生物的病毒的总称,因部分能引起宿主菌的裂解,故称为噬菌体。本世纪初在葡萄球菌和志贺菌中首先发现。噬菌体具有病毒的一些特性:个体微小。噬菌体基因组含有许多个基因,但所有已知的噬菌体都是细菌细胞中利用细菌的核糖体、蛋白质合成时所需的各种因子、各种氨基酸和能量产生系统来实现其自身的生长和增殖。一旦离开了宿主细胞,噬菌体既不能生长,也不能复制。
噬菌体分布极广,凡是有细菌的场所,就可能有相应噬菌体的存在。在人和动物的排泄物或污染的井水、河水中,常含有肠道菌的噬菌体。在土壤中,可找到土壤细菌的噬菌体。噬菌体有严格的宿主特异性,只寄居在易感宿主菌体内,故可利用噬菌体进行细菌的流行病学鉴定与分型,以追查传染源。由于噬菌体结构简单、基因数少,是分子生物学与基因工程的良好实验系统。

种类

因为噬菌体主要由蛋白质外壳和核酸组成,所以,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。
根据蛋白质结构分类:
无尾部结构的二十面体:这种噬菌体为一个二十面体,外表由规律排列的蛋白亚单位——衣壳组成,核酸则被包裹在内部。
有尾部结构的二十面体:这种噬菌体除了一个二十面体的头部外,还有由一个中空的针状结构及外鞘组成的尾部,以及尾丝和尾针组成的基部。
线状体:这种噬菌体呈线状,没有明显的头部结构,而是由壳粒组成的盘旋状结构。
噬菌体

噬菌体

噬菌体

噬菌体

噬菌体

噬菌体

无尾部结构的二十面体
有尾部结构的二十面体
线状体
迄今已知的噬菌体大多数是有尾部结构的二十面体,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,所以病毒喜欢采用正多面体的结构。而正多面体一共又只有五种,分别是正4, 6, 8, 12, 20面体,其中正20面体是最接近球形的,也就是在体积相同的情况下,需要更少的材料,更为节省。
根据核酸特点分类:
噬菌体

噬菌体

ss RNA:噬菌体中所含的核酸是单链RNA
ds RNA:噬菌体中所含的核酸是双链RNA
ss DNA:噬菌体中所含的核酸是单链DNA
ds DNA:噬菌体中所含的核酸是双链DNA

噬菌机理及侵染过程

噬菌机理

噬菌体颗粒感染一个细菌细胞后可迅速生成几百个子代噬菌体颗粒,每个子代颗粒又可感染细菌细胞,再生成几百个子代噬菌体颗粒。如此重复只需4次,一个噬菌体颗粒便可使几十亿个细菌感染而死亡。当把细菌涂布在培养基上,长成一层菌苔时,一个噬菌体感染其中一个细菌时,便会同上面所说的那样,把该细菌周围的成千上万个细菌感染致死,在培养基的菌苔上出现一个由于细菌被噬菌体裂解后造成的空斑,这便称为噬菌斑(plaque)。每一噬菌体除了能使宿主细菌裂解死亡外,还有一些噬菌体感染细菌后,并不使细胞死亡,称为溶原性噬菌体,这些噬菌体感染细菌后,将其自身的基因组整合进宿主细胞的基
噬菌体

噬菌体

因组,此时,这种宿主细菌称为溶原性细菌。溶原性细菌内存在的整套噬菌体DNA基因组称为原噬菌体(prophage),溶原性细菌不会产生许多子噬菌体颗粒,也不会裂解;但当条件改变使溶原周期终止时,宿主细胞就会因原噬菌体的增殖而裂解死亡,释放出许多子代噬菌体颗粒。

侵染过程

一个典型的噬菌体的侵染细菌的过程,可以分为三个阶段:感染阶段、增殖阶段和成熟阶段
感染阶段:噬菌体侵染寄主细胞的第一步是“吸附”,即噬菌体的尾部附着在细菌的细胞壁上,然后进行“侵入”。噬菌体先通过溶菌酶的作用在细菌的细胞壁上打开一个缺口,尾鞘像肌动球蛋白的作用一样收缩,露出尾轴,伸入细胞壁内,如同注射器的注射动作,噬菌体只把头部的DNA注入细菌的细胞内,其蛋白质外壳留在壁外,不参与增殖过程。
增殖阶段:噬菌体DNA进入细菌细胞后,会引起一系列的变化:细菌的DNA合成停止,的合成也受到阻抑,噬菌体逐渐控制了细胞的代谢。噬菌体巧妙地利用寄主(细菌)细胞的“机器”,大量地复制子代噬菌体的DNA和蛋白质,并形成完整的噬菌体颗粒。噬菌体的形成是借助于细菌细胞的代谢机构,由本身的核酸物质操纵的。据观察,当噬菌体侵入细菌细胞后,细菌的细胞质里很快便充满了DNA细丝,十分钟左右开始出现完整的多角形头部结构。噬菌体成熟时,这些DNA高分子聚缩成多角体,头部蛋白质通过排列和结晶过程,把多角形DNA聚缩体包围,然后头部和尾部相互吻合,组装成一个完整的子代噬菌体。
成熟阶段:噬菌体成熟后,在潜伏后期,溶解寄主细胞壁的溶菌酶逐渐增加,促使细胞裂解,从而释放出子代噬菌体。在光学显微镜下观察培养的感染细胞,可以直接看到细胞的裂解现象。T2噬菌体在37 ℃下大约只需四十分就可以产生100~300个子代噬菌体。子代噬菌体释放出来后,又去侵染邻近的细菌细胞,产生子二代噬菌体。

相关介绍

溶原性细菌特点

第一,溶原性细菌在被噬菌体感染并溶原化后,不会被同种噬菌体再次感染,这是超感染免疫性
第二,经过若干世代后,溶原性细菌会开始进入溶菌周期,即溶原性细菌的诱发。此时,原噬菌体从宿主基因组上切离下来进行增殖。
λ噬菌体载体不具有质粒载体的抗生素抗性的标记基因;因此,对λ重组分子的选择主要有下面几种方法。
cI基因功能选择 cI基因编码的阻遏蛋白可使感染了λ噬菌体的大肠杆菌进入溶原化状态。如果在插入型载体克隆位点上,或是置换型载体的可置换片段中,放上一个cI基因,当外源DNA插入或取代时,便破坏了cI基因,使出现cI-表型。此时,λ重组分子生成的是透亮的噬菌斑,而未重组的λ噬菌体由于仍保有cI基因,所以宿主细菌是溶原化的,就生成混沌的噬菌斑。
②lac Z基因功能选择 lac Z基因的产物为卢—半乳糖苷酶,在Xgal—IPTG培养基上显现蓝色。在插入型载体的lac Z基因序列中引入限制性内切核酸酶的切点,外源DNA插入这个克隆位点就会破坏lac Z基因,于是在上述培养基上出现无色的噬菌斑。如果没有同外源DNA形成λ重组分子,则lac Z基因未遭破坏,在培养基上出现蓝色的噬菌斑。
③spi-选择λ噬菌体的red和gam基因产物可抑制噬菌体在宿主细菌中正常生长,red-和gam-突变型λ噬菌体则可正常生长。当置换型载体的可置换片段中放上red和gam基因后,外源DNA片段取代了置换片段,则同时除去了red、gam基因,就可在宿主菌中生长,否则就不能正常生长。

在生物学上的应用

由于噬菌体可以将基因插入宿主DNA内的特性,使得它成为了重要的分子遗传学研究工具。利用噬菌体,可以设计很多精巧的实验。下面,举出一项噬菌体应用的最具代表性的例子。
证明DNA是遗传物质
历史上,生物学家在细胞中总是没有办法找到承担遗传功能的物质,曾经一度认为蛋白质是遗传物质,因为它承担了生命活动的绝大部分功能。但是,1952年赫尔希(Hershey)和沙斯(Chase)两人利用噬菌体证明了DNA的遗传功能,为最终确立DNA是主要的遗传物质奠定了基础。他们把宿主细菌分别培养在含有35S和32P的培养基中,宿主细菌在生长过程中,就分别被35S和32P所标记。然后,赫尔希等人用T2噬菌体分别去侵染被35S和32P标记的细菌。噬菌体在细菌细胞内增殖,裂解后释放出很多子代噬菌体,在这些子代噬菌体中,前者被35S所标记,后者被32P所标记。接着,他们用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的细菌,然后测定宿主细胞的同位素标记。当用35S标记的噬菌体侵染细菌时,测定结果显示,宿主细胞内很少有同位素标记,而大多数35S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外面;当用32P标记的噬菌体感染细菌时,测定结果显示宿主细胞的外面的噬菌体外壳中很少有放射性同位素32P,而大多数放射性同位素32P在宿主细胞内。以上实验表明,噬菌体在侵染细菌时,进入细菌内的主要是DNA,而大多数蛋白质在细菌的外面。可见,在噬菌体的生活史中,只有DNA是在亲代和子代之间具有连续性的物质。因此,DNA是遗传物质。

相关电影

早在1958年,我国第一位细菌学博士余贺教授,就利用噬菌体成功治疗了绿脓杆菌对烧伤病人的感染,成为微生物学界的一段佳话。这件事情还被拍成了一部名为《春满人间》的电影。
噬菌体有时有益,有时有害,益是因为它会“吃”掉某些在人体内的病菌,可能起到治病的效果。害是因为它可能会“吃”掉一些益菌或其它本身属于害菌但被人利用做一些有益的事的细菌或真菌(如:大肠杆菌、葡萄球菌、酵母菌等)造成很大的损失。
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- 来自原声例句
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