噬菌體（Bacteriophage）是感染細菌、真菌、藻類、放射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。該病毒由弗德里克· 特沃特和費利克斯· 德赫雷爾于20世紀初在葡萄球菌和志賀氏菌屬中研究發現。噬菌體具有病毒的基本特性：個體微小，可以通過細菌濾器；無細胞結構，主要由蛋白質構成的衣殼和包含于其中的核酸組成；只能在活的微生物細胞內復制增殖，是一種專性胞內寄生的微生物。
噬菌體是病毒中最為普遍和分布最廣的群體，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或其污染的井水、河水中，常含有腸道細菌的噬菌體。在土壤中，也可找到土壤細菌的噬菌體。
噬菌體有嚴格的宿主特異性，并且必須在活菌內寄生，其特異性取決于噬菌體吸附器官和受體菌表面受體的分子結構和互補性，只寄居在易感宿主菌體內并可裂解細菌，故流行病學可利用噬菌體進行細菌的鑒定與分型，以追查感染源。噬菌體可以應用于細菌鑒定和分型、診斷和治療、檢測標本中的待測菌、基因工程載體等。
歷史
1898年，俄羅斯學者伽馬列亞用燕溜水處理炭疽桿菌時，首先發現一種能使該菌新鮮培養液溶解的物質。1915年，英國細菌學家F.W.特沃特在檢查痘苗雜菌時，發現在瓊脂平板培養基上的表皮葡萄球菌菌落變成玻璃樣透明，移補于肉湯后，發現有菌體裂解現象，并認為是一種自溶酶的作用。1917年，加拿大醫學微生物學家F.德赫雷爾報導了他的詳細實驗，證明用恢復期痢疾病人糞便培養的肉湯，通過細菌濾過器的透明濾液，有裂解新鮮痢疾桿菌的作用、繼續移種能增強裂解的效力，并命名為噬菌體，指出它是一種寄生于細菌，有繁殖能力的生活物質。從1915年，第一篇關于噬菌體的文章出現，至今的70多年歷史中，噬菌體己在分子生物學的舞臺上起了重要的作用。1952年，美國遺傳學家喬舒亞·萊德伯格發現通過噬菌體的傳導，可以實現不同細菌間的基因重組現象。1957年，法國遺傳學家本滋爾以T4噬菌體作為研究材料，分析了基因內部的精細結構，提出了順反子學說。
有關噬菌體增殖的詳細研究開始于20世紀40年代，由麥克斯·德爾布魯克（Max Delbriick）、薩爾瓦多·盧瑞亞（Salvador Luria）和阿爾弗雷德·赫爾希（Alfred D.Hershey）發起，他們三人聯手組建了一個非正式協會，名叫“美國菌體小組”（American Phage Group）。通過這三人的學生以及其他追隨者的努力，他們基本闡明了噬菌體增殖的細節。研究人員還把在研究過程中用到的大腸桿菌噬菌體依次命名為T1、T2、T3、T4、T5、T6及T7。
在得知噬菌體的主要成分是質量相當的脫氧核糖核酸和蛋白質之后，1952年，阿爾弗雷德·赫爾希和瑪莎·蔡斯（Martha Chase著手以“標記的方式確定了這兩種成分在T2菌體中的功能。所謂的“標記”是指在這兩種成分的分子中混入具有放射性的原子，然后依次對其進行定向追蹤。赫爾希和蔡斯當時知道的是，蛋白質中有硫元素但沒有磷，而 DNA 富含磷元素但沒有硫元素。于是，他們先是培育了一批含有放射性硫元素（35s）的曝菌體，標記硫元素相當于標記蛋白質;而后他們培養了另一批含有放射性磷元素（32P）的菌體，這相當于標記了它們的脫氧核糖核酸。
分類
溫和噬菌體
噬菌體感染寄主菌后有兩種方式：一種是噬菌體在宿主細胞內進行增殖；另一種是噬菌體不進行增殖，溫和噬菌體具有獨特的雙相生命周期，其基因組能夠整合至宿主菌染色體形成前噬菌體（prophage），隨宿主復制而穩定遺傳，建立溶原性周期（lysogenic cycle），即為溶原狀態。整合在寄主菌核酸中的噬菌體基因組稱為原噬菌體（或前噬菌體），染色體上帶有溫和噬菌體基因組的細菌稱為溶原性細菌。
毒性噬菌體
毒性噬菌體通過溶菌周期在宿主菌內完成增殖過程，包括吸附、穿入、生物合成、成熟釋放等步驟，可增殖大量的子代噬菌體，導致細菌的裂解死亡。這類能裂解細菌的噬菌體為毒性噬菌體，整個過程為溶菌周期。
生物學性質
存活狀態
噬菌體在自然界中的數量變化呈現明顯的動態特征，其消長規律與宿主菌密切相關：當宿主菌大量繁殖時，噬菌體隨之快速增殖；而當宿主菌數量減少時，噬菌體數量也相應下降。
形態結構
已知菌體蛋白質衣殼有三種基本形態：蛋白質亞單位排列呈二十面體對稱型，稱為球形噪菌體；雙對稱型，即頭部為二十面體對稱，尾部為螺旋對稱，稱為蝸螞形賺菌體；蛋白質亞單位呈螺旋對稱排列成中空柱狀，稱為絲狀噬菌體。
1、2、3三群頭部是現六角晶柱形，由蛋白質組成其外殼，內含核酸，尾部由一-個中空的管狀體尾髓和可收縮的蛋白質尾鞘所組成。與頭部相接處呈現收部分稱為頸部。尾端具有六邊形的基片，其上生出六個刺突，并纏繞著六根細長的尾絲。4、5 兩群星球形，一般在 20~60nm，經過染色處理和高度放大，可觀察到球形粒子星 20 面體的結構。
化學組成
噬菌體主要由核酸（脫氧核糖核酸或核糖核酸）和蛋白質組成。其外膜與尾部主要由蛋白質構成，頭部主要是脫氧核糖核酸。尾鞘由一種收縮性蛋白組成，含有ATP和脫氧ATP，這些高能物質水解時提供收縮的能源。尾部的頂端含有類似溶菌酶類的酶。當噬菌體吸附在細菌以后，比溶菌酶更能把細菌細胞壁的粘多糖層溶穿成孔，從而尾芯穿通細胞壁，延長型把核酸注入細菌體中。
噬菌體的頭部含行雙鏈DNA，分子最達1.2X108，共長度約為細菌染色體的1／30。按體積比較，噬菌體的頭部儀為細菌的百分之一以下。噬菌體頭部內的DNA呈螺旋狀折將在其中。這里除了含有微量的叫做內部蛋白質的成分之外，不含DNA之外的成分。在普通生物細胞里，功能蛋白質中都含有酶類，但所有噬菌體幾乎都不含有酶，離開宿主細胞的噬菌體粒子本身不但不具有代謝功能，而且不顯示生物活性。
抗原性
噬菌體具有抗原性，能夠刺激機體產生特異性抗體。該抗體能抑制相應噬菌體侵襲宿主菌，但對已吸附或已進入宿主菌的噬菌體不起作用。
抵抗力
噬菌體對物理化學因素的抵抗力比一般細菌繁殖體強，加熱70°C30分鐘仍不失活，也能耐受低溫。大多數噬菌體能抵抗乙醚、三氯甲烷和乙醇，在5g/L氯化汞和5g/L苯酚中，經3~7天不喪失活性，而在過飽和氯化鈣溶液中，保持數年不失活。但對紫外線和X射線敏感，一般經紫外線照射10~15分鐘即失去活性。
感染機制
毒性噬菌體
通常把毒性噬菌體看作噬菌體的正常表現。毒性噬菌體的入侵增殖一般包括吸附、侵入、生物合成、裝配以及釋放五個階段。
吸附
噬菌體并非任意地吸附于宿主細胞表面而是附著于被稱為受體位點（Reception sites）的特定細胞表面結構上,這些受體的性質隨噬菌體而異；細胞壁脂多糖和蛋白質、磷壁質、鞭毛和菌毛均可作噬菌體受體。大腸桿菌 T-偶數噬菌體用細胞壁脂多糖或蛋白質作受體,受體性質的變化至少部分地關系噬菌體宿主選擇性。
吸附是噬菌體與細菌表面受體發生特異性結合的過程,其特異性取決于噬菌體蛋白與宿主菌表面受體分子結構的互補性。只要有細菌具有特異性受體，噬菌體都能吸附，但噬菌體不能進人死亡的宿主菌。T-4 菌體尾部的一個尾絲接觸受體位點時，菌體吸附過程開始在更多的尾絲接觸后，基片便固定在細胞表面。吸附過程是受靜電、pH 和離子的影響。
侵入
噬菌體吸附在細菌細胞壁的受點上以后，尾部釋放溶菌酶，特異性水解宿主細胞壁的肽聚糖層，形成穿透孔道；隨后尾鞘收縮，將尾髓插入細胞內部；最后，噬菌體頭部的核酸通過尾髓通道注入宿主細胞內，蛋白質外殼留在細胞外并最終降解。噬菌體從吸附到侵入的時間間隔很短，只有幾秒或幾分鐘。
生物合成
噬菌體核酸進入菌細胞后經過一定時間的隱蔽期，則噬菌體迅速繁殖，脫氧核糖核酸不斷的復制，且不斷的合成噬菌體蛋白質。當噬菌體的DNA和蛋白質分別合成后，則裝配為完整的噬菌體。
裝配與釋放
T4菌體的裝配過程是一個極為復雜的自我裝配的過程。這一過程包括4個完全獨立的亞裝配途徑：無尾絲的尾部裝配；頭部的裝配；尾部與頭部自發結合；單獨裝配的尾絲與前已裝配好的顆粒相連。以上各個裝配步驟通過一系列絕對有序的裝配反應進行，其中每一種結構蛋白在裝配時都發生了構型的改變，為后一種蛋白質的結合提供了可識別位點，而且前殼體的裝配還需腳手架蛋白的參與，這些蛋白質在結構完成后被除去。包括T4噬菌體單鏈DNA 菌體等大多數菌體都是以裂解細胞方式釋放，絲桿菌體不殺死細胞，子代毒粒以分泌方式不斷從受染細胞中釋放，這是一種病毒與宿主細菌的共生關系。
溫和噬菌體
有些噬菌體侵入寄主細菌后不會像毒性噬菌體那樣發展，而是它們的核酸和寄主細胞同步復制，寄主細胞不裂解，這類噬菌體稱為溫和噬菌體。
自發裂解
多數溶原性細菌不發生裂解現象，能夠正常繁殖，并將原噬菌體傳至子代菌體中。只有極少數（發生率為 10左右） 溶原性細菌 （如桿菌、大腸桿菌、假單胞菌、棒狀桿菌屬、沙門菌、葡萄球菌、弧菌、鏈球菌、變形桿菌、乳桿菌屬等） 的原噬菌體脫離寄主菌的 脫氧核糖核酸，并在寄主菌體內增殖產生成熟噬菌體，導致寄主菌細胞裂解，這種現象稱為溶原性細菌的自發裂解。也就是說極少數溶原性細菌中的溫和噬菌體變成了毒性噬菌體。
誘發裂解
用低劑量的紫外線照射處理，或用X 線、絲裂霉素 C、氮芥等其他物理化學因素處理，能夠誘發大部分甚至全部溶原性細菌大量裂解，釋放出嶸菌體粒子，這種現象稱為誘發裂解。因此，溫和噬菌體既有溶原周期，又有溶菌周期，而毒性噬菌體只有溶菌周期。
復愈
有極少數溶原性細菌其中的原噬菌體消失了，成為非溶原性細菌，此時既不會發生自發裂解現象，也不會發生誘發裂解現象，稱為溶原性細菌的復愈或非溶原化。溫和噬菌體侵入寄主細胞后可能發生的侵染過程如下：
培養檢測
在液體培養基中，噬菌體裂解宿主菌可使混濁菌液變澄清。而在固體培養基上，將適量的噬菌體和宿主菌液混合接種培養后，培養基表面可出現透亮的溶菌空斑，每個空斑系由一個噬菌體復制增殖并裂解宿主菌后形成的，稱為噬斑（plaque），不同噪菌體噬斑的形態與大小不盡相同。通過噬斑計數，可測知一定體積內的噬斑形成單位（plaque forming units，PFU）數目，即噬菌體的數量。
主要應用
基因工程工具
基因工程研究中最常用的噬菌體載體是λ噬菌體載體。λ噬菌體是研究最為詳盡的一種以大腸桿菌為宿主的雙鏈脫氧核糖核酸噬菌體，是一種中等大小的噬菌體。λ噬菌體的基因組DNA全長為48.5kb，在噬菌體顆粒內ADNA呈線狀雙鏈分子，兩端各有長12 bp的突出黏性末端，進入宿主細胞后，在連接酶作用下，噬菌體DNA會形成共價閉合環狀分子。
λ噬菌體的基因組DNA至少編碼61個基因，功能相近的基因在基因組中聚集在一起。λ噬菌體的基因組共分為3個區域，第一個區的基因與噬菌體DNA的包裝和顆粒的形成有關，第二個區位于中間，主要與溶原生長和基因的整合有關，第三個區主要與噬菌體的復制和裂解生長有關。λ噬菌體的基因組中，約只有一半基因參與噬菌體的生命周期，屬于噬菌體生存必需的基因，另一半基因為非必需基因，也就是說它們可以被外源基因取代，這些基因被取代后并不影響噬菌體的生命功能。在λ噬菌體的基因組脫氧核糖核酸中，至少有56種限制酶位點，利用這些酶切位點可將外源基因取代非必需基因形成重組噬菌體DNA，能隨著寄主細胞一起復制和增殖，這也是λ噬菌體能夠被開發成為基因克隆載體的一個前提條件。
細菌的鑒定和分型
由于噬菌體裂解細菌有種的特異性，故可用于細菌的鑒定。如利用已知的噬菌體鑒定未知的霍亂弧菌、枯草芽胞桿菌等。噬菌體裂解細菌又有型特異性，所以又可用噬菌體對某一種細菌分型，即該菌的噬菌體型。如利用傷寒沙門菌Vi噬菌體已將有Vi抗原的傷寒沙門菌分為96個噬菌體型。利用金黃色葡萄球菌噬菌體將金黃色葡萄球菌分為4個群若干個型。細菌的噬菌體分型在流行病學調查上對追查和分析細菌感染的傳染源有很大幫助。
檢測標本中的未知細菌
噬菌體在自然界中分布廣泛，凡有細菌的地方，如污水、土壤、人和動物的排泄物等都可能有噬菌體。所以，從標本中檢出某種噬菌體常提示該標本中曾有相應的細菌存在。應用噬菌體必須在活的敏感細菌內才能增殖這一特性，如將檢測標本與一定數量已知噬菌體共同培養，如噬菌體明顯增加時，雖然細菌培養陰性，也提示該標本中有相應的細菌存在。
細菌性感染的治療
由于噬菌體對細菌的感染具有種的特異性，不像使用抗生素那樣容易造成菌群失調或耐藥，細菌對噬菌體產生耐受的可能性較小。因此可成為新的抗菌物質，尤其對金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等這些容易產生耐藥性的細菌應用價值更大，有著較好的前景。此外，噬菌體在畜牧業大規模應用方面取得進展，如2025年11月由山東省農業科學院牽頭主辦的“國際噬菌體科技產業大會”啟動了中歐協作的AI賦能六大畜種噬菌體大規模應用實驗，實驗覆蓋肉禽、蛋禽、豬、奶牛、奶羊、水產等主要畜種，針對致病性大腸桿菌、沙門菌等10種病原菌開展防治實驗。
前沿技術
噬菌體展示技術是使用噬菌體研究蛋白與蛋白、蛋白與肽、蛋白與核酸互作，以了解遺傳信息與其編碼蛋白之間的關系的一種技術。此技術是將外源蛋白或多肽的脫氧核糖核酸序列克隆插入到噬菌體外殼蛋白結構基因的適當位置，使其閱讀框正確，且不影響其他外殼蛋白正常功能，使外源多肽或蛋白與外殼蛋白融合表達；同時，此外源融合蛋白隨子代噬菌體的重新組裝而展示在噬菌體表面，被展示的多肽或蛋白可以保持相對獨立的空間結構和生物活性，以利于靶分子的識別和結合，以檢測噬菌體表面展示蛋白與其他分子間的互作,從而能找到基因型與表型的聯系。噬菌體展示肽庫與固相上的靶分子經過一定時間孵育后，洗去未結合的游離噬菌體，然后以競爭受體或酸洗脫下與靶分子結合吸附的噬菌體，這樣洗脫下的噬菌體感染宿主細胞后經繁殖擴增，進行下一輪洗脫，經過3~5輪的"吸附-洗脫-擴增"后，與靶分子特異結合的噬菌體得到高度富集。所得的噬菌體制劑可用來做進一步富集有期望結合特性的目標噬菌體。這使得大的蛋白質文庫在稱為體外選擇中能夠篩選和擴增，相當于自然選擇。
參考資料 >
噬菌體.中國大百科全書.2023-10-15
養殖未來告別抗生素？中歐聯手，噬菌體加速產業化.百家號.2025-11-11