在人们的印象里，细菌、病毒等微小的东西都是同一个样子，大多都是圆圆的。但今天就为大家介绍一种非常奇特的自然界产物，它就是噬菌体。顾名思义，噬菌体是一种以细菌作为宿主的病毒。通过显微镜观察我们会发现，噬菌体拥有一个菱形的脑袋，一个长长的脖子，还有六个爪子，就好像一个机器人一样。
噬菌体是寄生在细菌、古菌等原核微生物体内的病毒，主要由蛋白质和核酸组成。噬菌体是地球上最具生物多样性的生命体。它们存在于土壤、空气、海洋、饮用水、食品等环境中，可以说，只要有细菌的地方，就会有噬菌体的存在。据文献报道，地球生物圈中噬菌体数量可达10^30～10^32。在繁殖时，噬菌体会将遗传物质注入宿主菌，后者会产生噬菌体的遗传物质和胶囊蛋白，并装配成新的噬菌体，从而完成整个繁衍过程。噬菌体作为细菌的天敌，具有抗细菌感染的应用前景。
01 噬菌体杀菌机制
有尾噬菌体尾巴的黏附位点与宿主菌表面分子相互作用，识别宿主菌，噬菌体与宿主菌受体结合的分子是一种粘附素，可以是一根尾丝纤维，抑或是数根尾丝纤维簇；吸附宿主，有尾噬菌体感染涉及特化的吸附结构，如纤维或者刺突，与靶细菌表面分子或者荚膜结合；噬菌体不可逆吸附后，尾部定位到宿主菌表面的适当位置，不可逆地将噬菌体基因组DNA投送到宿主细胞，总体上，尾丝纤维顶部具有穿透肽聚糖层的酶，然后接触或者穿透内膜，直接将DNA释放到细胞中；噬菌体基因组复制、修复和重组，噬菌体转录（噬菌体感染时，复制和转录在同一模板上以不同速率同时进行，复制一般是转录速率的10倍）；噬菌体蛋白质合成；噬菌体调控宿主菌代谢；噬菌体形态形成与宿主菌裂解（裂解宿主细胞是最后一步，也是很危险的一步，需要把握好时机。如果裂解启动太早，产生的噬菌体太少，不能有效裂解宿主细胞；如果启动太晚，感染时机和新一轮繁殖的暴发期则会丢失。有尾噬菌体裂解涉及两个组分：可以切除肽聚糖基质化学键的裂解素（lysin），以及在细菌细胞内膜上组装成孔道，方便裂解素通过肽聚糖层并加速裂解的孔蛋白）。
02 噬菌体结构
1. 结构简单：同其他病毒一样，具有感染性的噬菌体由蛋白质衣壳和核心组成，其核心部分有的噬菌体仅为核酸，有的则由其他成分与核酸共同组成。
2. 多样性的原因：噬菌体衣壳形态结构具有较大的变化。根据其形态结构特点，可分为有尾噬菌体，无尾噬菌体和丝状噬菌体三种类型。包括在噬菌体衣壳内的核酸有的是DNA，有的是RNA，DNA和RNA分子呈线状，或呈环状，或为单链或为双链。
03 噬菌体的分类
1. 烈性噬菌体：也称毒性噬菌体，是指在宿主菌体内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌的一类噬菌体。其增殖过程经历吸附穿入、生物合成和成熟释放3个阶段，子代噬菌体达到一定数量时，由于噬菌体合成酶类的溶解，菌细胞突然裂解，释放出的噬菌体再感染其他敏感细菌。
2. 温和噬菌体：感染宿主菌后并不增殖。温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期，可偶尔自发地或在某些理化或生物因素地影响下，整合的前噬菌体脱离宿主菌染色体，进入溶菌性周期导致细菌裂解，并产生新的成熟噬菌体。温和噬菌体感染宿主导致宿主发生溶源化反应，常用来做转基因工具。
04 噬菌体技术的优势
噬菌体治疗优越性：①噬菌体对细菌的侵染具有高度特异性，不会杀灭目标菌之外的细菌，这就避免了广谱抗生素所导致的“菌群失调”类疾病的发生。②噬菌体在体内清除目标菌后，由于失去宿主菌，不能再复制，它们就会从患者体内自动“消失”，不会发生蓄积中毒。③噬菌体只感染细菌，不会扰乱人体细胞代谢，不引起人类感染性疾病，目前也尚未发现噬菌体治疗会带来严重的毒副作用。④噬菌体不能在动物、植物细胞内复制，迄今也没发现其具有遗传毒性。
05 噬菌体的应用与展望
噬菌体一经发现就与抗细菌感染性疾病密切联系在一起，并且取得了许多成功的经验，但噬菌体的高度宿主特异性严重阻碍了噬菌体治疗的推广应用。1928年，亚历山大·弗莱明发现了青霉素。19世纪30年代后期，美洲医学联合会药物与化学理事分会在分析文献后认为噬菌体治疗的效果不确定，需要进一步研究。到20世纪40-50年代，一大批抗生素先后被发现。由于抗生素的有效性和广谱性，使用抗生素治疗微生物感染性疾病成为首选手段。在随后的几十年中，噬菌体治疗（phagotherapy）被世人尤其是西方国家所忽略。
近年来，噬菌体治疗再度受到人们的广泛关注，主要原因是随着抗生素的广泛使用甚至滥用，耐药菌不断出现，甚至出现多耐药、泛耐药的细菌，以及对任何抗生素都不敏感的超级细菌（superbug）。目前治疗上最棘手的耐药菌被称为“ESKAPE”(分别为肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠道杆菌属的英文首字母缩写)。此外，要发现新的抗生素越来越难，研发新抗生素的速度又远远低于耐药菌出现的速度。感染超级细菌的患者变得无药可用，细菌的耐药性已构成对人类的严重威胁。在抗生素之外，人类迫切需要寻求更多的抗感染手段。在此背景下，人类再次把目光投向了噬菌体治疗。
2016年一位美国人不幸感染超级细菌-伊拉克细菌，在他试遍所有抗生素无效时，医生往他体内注入噬菌体后，成功杀死体内细菌，使他得到了康复。
2013年，全球第一个噬菌体裂解酶产品Gladskin上市，并被用于治疗耐甲氧西林金黄色葡葡球菌感染。目前还有多个噬菌体裂解酶已进临床研究阶段。美国食品药品监督管理局(FDA)于2013年认为Intralytix公司研发的针对沙门菌的噬菌体制剂SalmoFreshTM是安全产品，并批准其上市。
2014年，美国国立卫生研究院(NIH)认可噬菌体可作为抗耐药菌的手段之一。同年，欧盟斥资520万欧元启动噬菌体治疗细菌感染的跨国临床研究计划Phagoburn，法国、比利时和荷兰的科学家使用噬菌体治疗感染大肠埃希菌和铜绿假单胞菌的烧伤患者。
与人类疾病的防治类似，噬菌体同样可以用于牲畜和家禽类等动物的细菌感染性疾病的治疗、诊断和预防。2006年，美国FDA批准了某公司利用产气荚膜梭菌噬菌体制剂消除养殖活禽中的细菌感染。由于研制动物用噬菌体制剂只需进行动物试验，而人类用噬菌体制剂必须进行人体试验，因此，研制动物用噬菌体制剂成本更低，也更容易实现，具有更广阔的应用前景。