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噬菌体定义
噬菌体是一种只在细菌体内感染和复制的病毒。
- 在法国U.k和Félixd'Hérelle的Freederick W. Twort独立发现噬菌体。
- 术语“噬菌体”是来自两个词的衍生;'细菌'和'phagein'，意思是吞噬。该术语由Félixd'Hérelle创造。
- 它们在世界各地的不同环境中被发现，甚至被认为是地球上最丰富的生物制剂之一。它们是水中最丰富的生物颗粒，也是陆地生物量中仅次于原核生物的第二丰富组分。
- 感染细菌的噬菌体也可以感染域古亚域的成员。
- 噬菌体的形状、大小和基因组组织因其感染的细菌类型而异，但其基本组成是相同的。
- 所有噬菌体由一个核酸基因组组成，它被包裹在噬菌体编码的衣壳蛋白的壳内。
- 不同噬菌体的头部结构可能有所不同，噬菌体的尺寸范围在24-200nm之间。
- 不同噬菌体的形状、大小和结构因噬菌体的类型而不同。
- 随着噬菌体应用范围的扩大，近年来对其的研究不断增加。
- 噬菌体感染和可能杀死传染性细菌剂的能力将其潜力作为可能的补充剂或替代抗生素剂的替代品。
- 噬菌体的感染机制几乎与最初附着在宿主细胞上并将其基因组进入宿主细胞以中止宿主细胞的机制相同。
噬菌体的结构
尽管存在不同类型的噬菌体，这取决于细菌的类型和组，但它们感染了所有噬菌体，也具有一些常见的特征或性质。噬菌体的一些特征或特性是:
- 与所有其他病毒一样，噬菌体也是对其宿主细胞的高度特异性的。噬菌体仅在物种中感染单一的细菌甚至特定的细菌菌株。
- 所有噬菌体的基本结构是一样的。它们包括由蛋白质衣壳包围的核材料的核心。
- 噬菌体存在三种基本结构形式;一个尾声头，尾巴，一个没有尾的icosahead头，和丝状形式。
- 噬菌体或噬菌体的遗传物质或核材料可以是DNA或RNA，两者都可以是双链或单链的。
- 噬菌体是潜伏在宿主细胞外的专性胞内寄生虫，需要宿主细胞机制来进行其代谢活动。
- 如细菌，噬菌体也根据其形态和遗传物质分为不同的订单和家庭。一些常见的家庭包括Inoviridae，Tectiviridae，microviridae和鲁维里犬。
图:噬菌体的结构。创建BioRender.com。
噬菌体模型或类型
1.λ噬菌体
- Lambda噬菌体或COLIPHAGEλ是一种感染属于细菌种类成员的细菌的噬菌体大肠杆菌（大肠杆菌）．
- 噬菌体最初是由艾斯特·莱德伯格于1951年在美国研究紫外线照射下的大肠杆菌时发现的。
- 它属于Siphoviridae的顺序系列剖腹产病毒，其由缺乏封套，非收缩尾部和线性双链DNA分子定义。
- 对Lambda病毒进行了各种目的的研究，以了解各种病毒的溶解和溶源生活方式，也作为病毒研究的模型病毒。
- 病毒有一个温和的生命周期，使它可以进入裂解阶段或通过溶源性驻留在宿主基因组内。
- 噬菌体粒子的结构由蛋白头或衣壳、无收缩的尾和尾纤维组成。病毒基因组存在于病毒衣壳内。
- 病毒的非收缩尾表明病毒不能强行进入细菌的细胞膜，必须依靠现有的途径侵入宿主细胞。
- 这种病毒由12-14种不同类型的蛋白质组成，这些蛋白质由超过1000个蛋白质分子和存在于噬菌体头部的一个DNA分子组成。
2.T4噬菌体
- T4病毒是一种噬菌体，可以感染大肠杆菌，因此也被称为T4大肠杆菌病毒。
- 该病毒是7种大肠杆菌(命名为T1-T7)中的一种，Delbruck和同事在1944年发现了这7种大肠杆菌，作为研究噬菌体群落不同机制的模型。
- 基于非包裹头和收缩尾的存在，噬菌体T4属于Myoviridae噬菌体系列的剖宫产序列。
- 噬菌体T4的结构由蛋白质衣壳组成，称为头部，该头部由线性双链DNA分子组成。
- 在尾部的末端是一个925 Å长和520 Å直径收缩尾附在一个特殊的门户在头部的基部。
- 从底板出现六个短尾纤维，可以识别主体表面上的受体分子。
- 噬菌体T-甚至病毒是最常见的和研究的噬菌体中的噬菌体中，也是在各种因素中彼此相似的噬菌体。
- 这些也是最大，最复杂的细菌病毒之一，因为它们的遗传构成由约300种不同的基因组成。
噬菌体的生命周期
病毒进入宿主细胞以再现，病毒导致宿主细胞的不同形式的感染。病毒进入、复制和离开宿主细胞的整个过程构成了病毒的生命周期。噬菌体，像所有其他病毒一样，遵循类似的轨迹，即病毒进入细菌宿主细胞进行复制。在DNA复制机制上有两种不同的生命周期，一种是病毒DNA与宿主DNA合并，而另一种是DNA与宿主DNA分开复制。这些生命周期可能独立发生，也可能在不同类型的噬菌体中交替发生。
1.黎思周期
- 裂解周期是噬菌体的两个生命周期之一，在这两个生命周期中，病毒DNA仍然是一个自由漂浮的分子，并与细菌DNA分开复制。
- 由于噬菌体在病毒颗粒的释放期间，裂解循环通常发生在毒力噬菌体中。
- 裂解循环是一种毒性感染，因为它导致细胞的破坏。
图：噬菌体的裂变循环。图像来源：Openstax微生物学．
噬菌体的裂解生命周期以下列步骤完成;
一种。附件和渗透
- 噬菌体的生命周期的第一步是附着的，其中特定分子上的配体在病毒颗粒表面上与宿主细胞的质膜上的受体分子结合。
- 受体依赖于大多数正交缺血病毒的病毒类型，在细胞糖蛋白的低聚糖侧链上使用末端唾液酸等受体。
- 然而，配体是三聚体病毒血凝素糖蛋白的每个单体末端的一个孔。
- 尽管受体与配体之间存在高度的特异性，但是许多病毒也可能使用相同的受体。
- 此外，一些噬菌体可能使用其他的膜糖蛋白作为它们的受体。
- 一旦附着，病毒将其核材料注入细菌细胞的细胞质中。
- 病毒基因组（DNA或RNA）残留在细胞质中，并且在某些情况下变得圆形并类似于细菌质粒。
湾生物合成和转录
- 一旦进入细胞质，病毒基因组就会劫持宿主的细胞机制并利用它来制造更多的病毒。
- 在DNA病毒的情况下，DNA经历转录，以产生使宿主细胞的核糖体产生信使RNA。
- 在裂解循环中，mRNA编码各种多肽，其中第一个多肽会破坏宿主的DNA。
- 在RNA病毒的情况下，涉及称为逆转录酶的酶，其将病毒RNA转化为DNA。
- 然后DNA被转录回信使rna，信使rna指挥宿主DNA的破坏。
- 然后，病毒DNA对宿主细胞进行控制，并产生新病毒组装所需的不同蛋白质。
- 病毒DNA也会进行复制，以产生更多的遗传物质，形成新的病毒粒子。
- 生物合成和DNA复制的过程是由不同基因和酶介导的。
c.组装和裂解
- 随着生物合成和复制的继续，大量的病毒蛋白质和基因组形成。
- 一旦足够多的病毒颗粒形成并成熟，这些颗粒就开始组装，在此过程中，病毒的遗传物质被整合到病毒蛋白，衣壳中。
- 新组装的噬菌体释放酶溶酶到细胞质中。这种酶引起细菌细胞壁的溶解，导致新形成的噬菌体颗粒的释放。
- 因此，在裂解生命周期结束时，受感染的细菌细胞和细胞膜被破坏。
2.溶血性周期
- 溶源性是噬菌体的两个生命周期之一，其定义是噬菌体基因组并入宿主基因组。
- 在溶源性生命周期中，宿主细菌在噬菌体复制后继续正常生存和繁殖。
- 噬菌体的遗传物质在溶源性生命周期中进入细菌DNA，称为原噬菌体，原噬菌体可在细菌细胞分裂过程中传递给子细胞。
- 溶血性循环是一种温度和非毒性感染，因为噬菌体不会杀死宿主细胞。
图：噬菌体的溶血性循环。图像来源：Openstax微生物学．
溶血性生命周期的方法发生在以下步骤;
一种。附件和渗透
- 溶源性生命周期的第一步与溶源性生命周期的第一步相同。
- 噬菌体配体将受体附着在细菌细胞壁的表面上。
- 附着是高度特异性的，因为它是由配体和存在于细菌细胞壁表面的受体之间的相互作用决定的。
- 附着后，病毒基因组被注射到宿主细胞的细胞质中。
- 然后将感染病毒的DNA或原噬菌体并入宿主染色体，从而将感染原噬菌体转化为非感染原噬菌体。
湾复制
- 然后，病毒DNA使用宿主机制以复制，因为在细胞分裂期间继续与宿主染色体复制。
- 在某些情况下，原噬菌体可能从宿主染色体中弹出，病毒DNA可能进入裂解周期。
- 与裂变循环不同，细菌细胞机制不被病毒颗粒劫持，并且未发生病毒蛋白的生物合成。
- 然而，原噬菌体可以在细菌细胞分裂时转移到子细胞。
- 复制过程继续，直到存在一些压力源，其可以是紫外线辐射，低营养状况或化学物质，这可能导致溶血性循环转变为裂解循环。
- 一旦进入裂解周期，病毒DNA就会进行转录以产生病毒蛋白质。蛋白质和病毒基因组随后组装成完整的病毒粒子，然后通过裂解从宿主细胞释放出来。
裂解循环与溶源循环(14个主要差异)
| 特征 | 黎思周期 | 溶原性周期 |
| 定义 | 裂解循环是噬菌体的一种生命周期，病毒DNA作为一个自由漂浮的分子，与细菌DNA分开复制。 | 溶血生是另一种噬菌体的生命周期，其通过将噬菌体基因组掺入宿主基因组而定义。 |
| 也被称为 | 裂解循环也称为感染循环或毒性循环。 | 溶源性循环又称为温和循环或无毒循环。 |
| 病毒DNA | 在裂解循环中，病毒DNA保留在宿主细胞的细胞质中。 | 在溶源性循环中，病毒DNA被纳入宿主染色体。 |
| 前噬菌体 | 裂解循环中不存在原噬菌体。 | 溶源性循环由原噬菌体阶段组成。 |
| 宿主DNA | 宿主DNA被病毒DNA编码的各种蛋白质破坏。 | 宿主DNA不受病毒DNA的影响。 |
| 病毒复制 | 病毒DNA复制与宿主DNA复制分开发生。 | 病毒DNA复制与宿主DNA复制同时发生。 |
| 病毒DNA的生产力 | 病毒DNA和病毒蛋白的生产率高。 | 病毒DNA和病毒蛋白质的生产力很低。 |
| 宿主细胞的机制 | 宿主细胞机制被病毒DNA完全劫持。 | 宿主细胞机制仍未受到影响。 |
| 期间 | Lytic周期即时并在短时间内完成。 | 溶血性周期需要更长的时间。 |
| 过渡 | 裂解循环不能转化为溶血性循环。 | 溶血性循环可以转变为裂变循环。 |
| 感染 | 由于这个周期是一个感染周期，因此可以观察到病毒感染的症状。 | 该循环是非感染性循环，不会导致症状。 |
| 转移 | 在裂解循环期间，病毒DNA不能从宿主细胞转移到子细胞。 | 病毒DNA可以在溶血性循环期间转移到子细胞中。 |
| 基因重组 | 裂解循环不允许宿主染色体的遗传重组。 | 溶源性循环允许宿主染色体的遗传重组。 |
| 宿主细胞裂解 | 裂解循环以宿主细胞的裂解结束。 | 溶源性循环不会导致宿主细胞的裂解。 |
应用噬菌体
噬菌体被认为是治疗人类和动物各种感染性细菌疾病的潜在抗菌药物。一开始，噬菌体的临床应用仅限于治疗急性肠道感染和皮肤感染。然而，后来，开始在手术实践中施加施常规传染性并发症的手术实践。以下是不同领域噬菌体的一些应用;
治疗细菌感染
- 随着细菌对众多抗生素耐药的病例的增加，噬菌体作为一种可能的治疗方法的潜在使用已经被探索。
- 随着噬菌体只感染细菌并且对人类无害，将这种噬菌体的给予人类施用到人类中有助于破坏这种传染性细菌。
- 此外，噬菌体在烧伤伤口上的应用表明，通过大量减少感染和败血症的机会。
在食品卫生和安全方面
- 噬菌体用于控制和消除食物表面的细菌污染物和食物引起的腐败。
- 噬菌体具有高度的特异性，这使得它们对即食食品如牛奶、蔬菜和肉制品的卫生处理具有吸引力。
- 许多噬菌体已被商业化，用于在屠宰前对牛皮进行消毒，以减少肉中的污染。
- 一些噬菌体还可以作为表面和环境的消毒剂，因为它们可以像季铵盐化合物一样有效地消毒不锈钢污渍。
在农业
- 一些植物细菌特有的噬菌体也在农业中得到了应用。
- 这些噬菌体用于治疗和预防植物中的细菌疾病。在抗生素地位使用噬菌体可以防止植物表面上的抗生素丛生，这可能对消费者的健康有害。
什么是噬菌体疗法？
噬菌体疗法或病毒疗法是使用噬菌体治疗各种细菌感染。
- 尽管使用细菌病毒治疗细菌感染的概念，但最近仅被视为抗生素的替代方法，但该方法在西医中具有令人讨厌的历史。
- 然而，目前的噬菌体疗法的知识和应用已经超越传统方法。
- 噬菌体疗法的概念实际上始于1917年革命和D'Herelie的第一次发现噬菌体。
- 随着时间的推移，噬菌体疗法的使用已经继续用于一系列临床重要的病原体，基于最近的研究使用动物模型。
- 噬菌体疗法的人类试验距离几乎是一个世纪前的，目前用于治疗常见的细菌病原体金黄色葡萄球菌，肠球菌，变形球菌,铜绿假单胞菌．
- 噬菌体治疗范围从外科治疗的有效应用可以是治疗性和预防性的胃肠病理学治疗。
- 尽管尚未批准噬菌体疗法产品，但在人类中临床用途，商业噬菌体制剂已被用作食品工业中的生物控制剂。
- 这些制剂用于常见的食物病原体如沙门氏菌、弯曲杆菌和单核细胞增多性李斯特氏菌．
- 噬菌体治疗常被拿来与抗生素进行比较，并且噬菌体治疗与抗生素相比有许多优点。
- 噬菌体治疗的副作用更少甚至没有，而且噬菌体甚至对生物膜中的细菌有效。
- 除了使用针对细菌感染的噬菌体外，还进行了使用噬菌体编码的含羟基酶。
- 这些酶往往与导致细菌细胞裂解的抗微生物真核酶溶菌酶相似。
图像来源：克利夫兰诊所．
噬菌体治疗原则
使用噬菌体治疗作为一种可能的治疗和预防细菌感染的方法的基本原则是使用噬菌体破坏参与感染的细菌细胞。此外，有不同的噬菌体编码酶也可以给药，以导致细菌细胞的溶解。噬菌体治疗的原理可以用两种不同的方式来解释，这取决于噬菌体(活性治疗)或噬菌体编码酶的使用
1.活性噬菌体治疗原理
- 使用噬菌体作为一种治疗方式始于使用噬菌体。噬菌体(口服剂量)在2-4小时内到达血液，大约10小时后在内脏中发现。
- 噬菌体的杀菌活性是通过宿主细胞内的裂解循环复制病毒的结果。
- 研究表明，并非所有的噬菌体复制都是相似的，在页的溶解和溶源循环中可能存在重大差异。
- 细菌裂解过程是一个复杂的过程，是由多个结构和调控基因的级联反应引起的。
- 然而，为了确定代理的效率，有不同的值需要理解。
a.增殖密度阈值
- 噬菌体数量的增长取决于细菌的密度。
- 随着细菌数量的增加，噬菌体数量的增加会达到一个临界值。
- 阈值决定了游离噬菌体是否可以满足和感染易感细菌细胞的概率超过从系统丢失的噬菌体的概率。
- 因此，活性相疗法的成功不仅取决于所涉及的噬菌体和细菌的类型，而且在任何时候都涉及的细菌密度。
b。最佳时机
- 在活性噬菌体疗法中需要考虑的另一件事是使用噬菌体的时间，以便它们对细菌物种有效。
- 噬菌体的接种应在细菌密度达到在噬码的阈值内的特定值。
- 这次被称为增殖时间，因此，噬菌体的接种应该在接近增殖时间的点处进行。
2.噬菌体编码酶的原理
- 在细菌细胞的裂解过程中，有两大类噬菌体溶酶。
- 蛋白质是称为内溶素的跨膜蛋白孔和肽聚糖细胞壁水解酶。这些蛋白质在一起触发细菌细胞的裂解。
- Holin蛋白在裂解周期中的分子时钟。在细菌细胞中的病毒组件期间，酶分子在细胞膜中积聚。
- 随着裂解循环的继续，蛋白质触发了细胞膜的细胞质侧的开口，从而允许溶酶蛋白进入并水解细胞壁。
- 这些蛋白质是快速的，有效的，不活性的真核细胞这增加了人们对它们作为治疗药物的兴趣。
- 已经证明，使用噬菌体溶酶和抗菌剂对各种细菌比单独使用抗生素更有效。
噬菌体治疗的优点
- 被廉俗杂志感染的细菌无法恢复活力。
- 噬菌体种群可以响应于细菌密度的增加而增加。这个过程称为自动给药。
- 噬菌体本质无毒，因为它们由核酸和蛋白质组成。然而，在某些情况下，病毒可以与免疫系统相互作用;因此，大多数噬菌体疗法使用高度纯化的噬菌体制剂。
- 由于噬菌体对宿主的高度特异性，它们只感染特定的细菌菌株。这对正常菌群的破坏很小甚至没有影响。
- 大多数噬菌体宿主范围狭窄，限制了细菌类型的数量，这可能导致噬菌体抗性机制。
- 通过噬菌体的细菌裂解机制与抗生素完全不同，这允许使用噬菌体免受抗生素抗性感染的。
- 可以容易地从污水和其他废料中发现反对许多致病细菌的新噬菌体。
- 噬菌体是多功能药剂，因此，可以与抗生素组合使用，也可以转化为不同的形式，如液体，乳膏或固体。
- 噬菌体能够清除某些细菌噬菌体的生物膜，这是由于它们能够活跃地穿透生物膜的结果。
噬菌体治疗的局限性
- 并不是所有的噬菌体都是好的治疗方法，使用温和的噬菌体作为治疗是有问题的，因为它可能导致噬菌体敏感的细菌转化为不敏感的细菌和编码细菌的毒性。
- 由于噬菌体是高度特异性的，并且只感染少量细菌菌株，它们具有狭窄的主体范围。结果，不同的细菌感染需要不同的噬菌体。
- 随着噬菌体是基于蛋白质的活生物药物，存在噬菌体和免疫系统之间的相互作用的可能性。
- 由于噬菌体的巨大多样性，与设计联合抗生素治疗方案相比，创建噬菌体鸡尾酒是困难的。
- 噬菌体经常被公众误解为等同于导致人类疾病的病毒，这限制了它们的使用。
噬菌体疗法对抗生素(10个主要差异)
| 特征 | 噬菌体疗法 | 抗生素 |
| 定义 | 噬菌体疗法或病毒疗法是使用噬菌体治疗各种细菌感染。 | 抗生素是一种有效治疗细菌感染的抗菌剂。 |
| 安全 | 噬菌体治疗比抗生素治疗更安全，因为对患者的副作用很小。 | 对导致神经毒性，心脏毒性和肝毒性产生的抗生素有很好的不良反应。 |
| 特异性 | 噬菌体具有高度的特异性，因此，噬菌体只能用于少数菌株。 | 抗生素具有广泛的光谱，可影响超过单一的目标生物。 |
| 电阻 | 可以发生抗噬菌体的抗性，但通常限于单个靶细菌。 | 对抗生素的耐药性是一种普遍现象，而且并不局限于目标细菌。 |
| 对生物膜的效率 | 噬菌体对生物膜具有活性，因为它们可以穿透生物膜感染下面的细菌种群。 | 抗生素对生物膜无效。 |
| 发展 | 噬菌体的开发和分离相对容易，因为许多噬菌体可以从细菌密度高的污水和废物中获得。 | 抗生素的发展是一种耗时和昂贵的过程。 |
| 免疫系统 | 一些噬菌体可能与患者的免疫系统相互作用，导致不良影响。 | 抗生素不会与病人的免疫系统发生相互作用。 |
| 指导方针 | 没有使用噬菌体作为治疗剂的指导方针。 | 另一个组织对抗生素的使用有具体的指导方针。 |
| 联合治疗 | 噬菌体联合治疗的发展是艰难的。 | 联合抗生素疗法的发展相当容易。 |
| 行政 | 某些形式的噬菌体疗法的给药可能是困难的。 | 使用抗生素相当容易。 |
什么是噬菌体分型?
噬菌体分型是一种识别病原体的方法，可用于表皮调查和监测。
- 噬菌体键入是一种快速，经济，可重复的方法，不需要检测细菌的专业工具。
- 多年来，这种方法一直被用于确定物种之间的关系和研究疫情。
- 噬菌体分型的原理是基于正在研究的细菌作为草坪接种物的培养。然后培养物受到不同噬菌体的攻击。根据噬菌体和菌株之间的特异性，噬菌体将溶解菌落，然后可以用不同的方法可视化或测量菌落。
- 噬菌体键入方法对于测定感染源，传播，爆发和流行病的源是必不可少的。
- 噬菌体分型是一种通用的分型方法金黄色葡萄球菌，铜绿假单胞菌,和沙门氏菌Typhi。
噬菌体的局限性或挑战
- 噬菌体是在没有适当的显微镜和其他设备的情况下难以研究的微小颗粒。
- 噬菌体的使用受到限制，因为人们认为噬菌体是可能导致人体病毒感染的人体病毒。
- 由于这种病毒的分离和鉴定方法的困难，大多数噬菌体的信息是有限的。
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