Qβ噬菌體

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。

（一）噬菌體-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。

①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。

②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，還有由一箇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。

③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。

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裏最簡單的結構，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。

① ssRNA：噬菌體中所含的核酸是單鏈RNA。

② ds RNA：噬菌體中所含的核酸是雙鏈RNA。

噬菌體顆粒感染一個細菌細胞後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，便會同上面所説的那樣，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後造成的空斑，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後，並不使細胞死亡，稱為温和噬菌體，這些噬菌體感染細菌後，將其自身的基因組整合進宿主細胞的基因組，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週期終止時，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。

溶原性細菌有兩個特點。第一，溶原性細菌在被噬菌體感染並溶原化後，不會被同種噬菌體再次感染，這是超感染免疫性。第二，經過若干世代後，溶原性細菌會開始進入溶菌週期，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。

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。

① 感染階段：噬菌體侵染寄主細胞的第一步是“吸附”，即噬菌體的尾部附着在細菌的細胞壁上，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，如同注射器的注射動作，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。

②增殖階段：噬菌體DNA進入細菌細胞後，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。噬菌體的形成是藉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後，細菌的細胞質裏很快便充滿了DNA細絲，十分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。

③成熟階段：噬菌體成熟後，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後，又去侵染鄰近的細菌細胞，產生子二代噬菌體。

由於噬菌體可以將基因插入宿主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，裂解後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。接着，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着在宿主細胞的外面；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射性同位素32P，而大多數放射性同位素32P在宿主細胞內。以上實驗表明，噬菌體在侵染細菌時，進入細菌內的主要是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。