（安徽省無為市動物疫病預防與控制中心，安徽 無為 238300）

噬菌體（bacteriophage）是一類能夠感染細菌、真菌、藻類、放線菌或螺旋體等微生物的病毒總稱，因部分種類能夠引起宿主菌的裂解，故稱為噬菌體。噬菌體通常存在于充滿細菌群落的地方，如泥土、海水和動物腸道中。一戰(zhàn)時期，英國科學家Twort和加拿大科學家d'Herelle[1]發(fā)現(xiàn)一些圓點能阻礙菌落生長，他們猜測其能夠抑制或殺死細菌，于是命名為噬菌體。隨后，越來越多的科學家分離并鑒定出了多種噬菌體。上世紀80年代以來，分子生物學快速發(fā)展，人類對噬菌體的研究發(fā)展到基因組分離、起源與進化，以及噬菌體與宿主之間相互關系等多個領域。目前，關于噬菌體的研究已深入到對人類疾病的預防與治療，動物腸道健康，食品、動物產(chǎn)品及飼料中細菌的清除。本文就噬菌體的生物學特性進行探討，同時綜述其在畜牧生產(chǎn)中的應用，旨在為進一步利用噬菌體提供方向。

1 生物學特性

1.1 命名與分類

按照病毒核酸類型可以將噬菌體分為群Ⅰ（雙股DNA 病毒，dsDNA）、群Ⅱ（單股 DNA 病毒，ssDNA）、群Ⅲ（雙股RNA病毒，dsRNA）和群Ⅳ（單股RNA病毒，ssRNA）；根據(jù)形態(tài)結構可以分為dsDNA類（包括肌尾病毒科、長尾病毒科、短尾病毒科、古病毒科、紡錘病毒科、覆蓋病毒科、復層病毒科、脂毛病毒科和原體病毒科）、ssDNA類 （包括微小病毒科、絲狀病毒科）、dsRNA類（囊狀病毒科）和ssRNA類（光滑病毒科）；根據(jù)繁殖特性分為裂解性噬菌體（lytic）和溶原性噬菌體（lysogenic）[2]。

1.2 結構組成

噬菌體因種類不同結構也有差異，但是絕大多數(shù)噬菌體都是由核酸部分和外殼部分組成。核酸部分主要是單鏈DNA或RNA、雙鏈DNA或RNA其中的一種，外殼主要由蛋白質(zhì)構成，它在與宿主菌表面受體結合中發(fā)揮作用，不同的噬菌體特異性主要由蛋白質(zhì)結構決定。無尾噬菌體的結構為20面體的蛋白質(zhì)外殼（外表由規(guī)律排列的蛋白亞單位-衣殼組成）和包裹在內(nèi)部的核酸；有尾噬菌體結構包括20面體的頭部、中空的針狀結構及外鞘的尾部、尾絲和尾針組成的基部；線狀體噬菌體則呈現(xiàn)由殼粒組成的盤旋狀結構。

1.3 理化特性與生存環(huán)境

噬菌體的蛋白質(zhì)外殼和核酸會受到溫度、pH值及化學試劑的影響而發(fā)生改變。不同噬菌體結構蛋白對溫度的敏感性存在一定差異。60℃10 min條件下，胎兒弧菌噬菌體 V-45（Campylobacter fetus）[3]完全失活，103 ℃嗜熱芽孢桿菌噬菌體（Bacillus alcalophilus）失活[4]，80 ℃大腸桿菌噬菌體 Bp6 失活[5]。同樣，強酸或強堿一定程度上都會導致噬菌體失活。金黃色葡萄球菌噬菌體[6]在pH＜4或pH＞12條件下，或750 mL/L乙醇處理30 min后失活，而氯仿和DMSO對噬菌體的活性影響不大。耐藥肺炎克雷伯菌噬菌體JD902[7]在pH＜4或pH＞12條件下失活。豬鏈球菌噬菌體SMP在50℃10 min條件下失活，pH＜6或pH＞10效價下降，但是對氯仿不敏感[8]。因此，可以看出大部分噬菌體的適宜溫度和酸堿度趨于常溫呈pH中性，而對化學試劑不敏感。

1.4 作用機理

1.4.1 感染過程。噬菌體感染細菌的過程主要分兩類：一類是裂解性噬菌體，主要包括識別、吸附、注入核酸，復制病毒核酸，合成病毒其他物質(zhì)、裝配和釋放；另一類是溶原性噬菌體，主要包括識別、吸附、注入核酸，前噬菌體進入宿主基因組，宿主細胞復制，環(huán)境誘導前噬菌體釋放，復制病毒核酸，合成病毒其他物質(zhì)、裝配和釋放。

通常情況下，有尾噬菌體基部的尾板中含有二氫葉酸還原酶及Zn2+[9]，這些物質(zhì)能夠與細菌的細胞壁、夾膜、菌毛或鞭毛上存在的特異性受體 （蛋白質(zhì)、多糖、脂多糖）特異性識別，并促發(fā)尾絲與細菌表面受體結合，從而吸附細菌。而后噬菌體尾管開通DNA通道，尾針接觸細菌肽聚糖，激活溶菌酶結構，釋放溶菌酶水解肽聚糖，尾針穿透細菌內(nèi)膜，噬菌體DNA進入細菌。噬菌體DNA利用細菌RNA聚合酶合成自身mRNA，然后合成早期、中期和晚期蛋白。合成后噬菌體各部件有序裝配，分頭部裝配、尾部裝配、頭尾結合和尾絲裝配。最終裝配完成的噬菌體通過穿孔素-裂解酶系統(tǒng)（Holins-Lysin system）水解細菌肽聚糖層，裂解宿主菌，從而釋放子代噬菌體。

1.4.2 穿孔素-裂解酶系統(tǒng)（Holins-Lysin system）。穿孔素（Holins）是一種疏水性跨膜蛋白，主要功能是觸發(fā)細菌裂解反應和形成跨膜通道，還具有體外裂菌功能。裂解酶（Lysin）是噬菌體在宿主細胞寄生的最后階段裂解細菌的一種酶，又稱為內(nèi)溶素或溶胞壁酶，主要功能為水解細菌細胞壁肽聚糖結構。按裂解肽聚糖位點不同可以分為葡糖苷酶、酰胺酶、肽鏈內(nèi)切酶和轉糖基酶[10]，其結構主要由催化區(qū)和結合區(qū)構成，并形成α螺旋和β轉角。

噬菌體在宿主細胞內(nèi)復制子代噬菌體，并形成“穿孔素-裂解酶系統(tǒng)”，最終裂解細菌，釋放子代噬菌體。其過程為噬菌體的穿孔素和裂解酶基因在晚期利用宿主細菌合成穿孔素和裂解酶，穿孔素首先到達細菌細胞膜，形成同源低聚物，在特定時間形成跨膜通道。之后裂解酶通過該通道被釋放至膜外破壞細胞壁，裂解宿主細胞，結束感染周期[11-13]。

但是在外界環(huán)境惡劣、不適應釋放子代噬菌體條件下，噬菌體也會合成抗穿孔素，調(diào)控裂解過程，延長子代噬菌體在宿主細胞內(nèi)的留存時間。其機理可能是噬菌體穿孔素基因存在于穿孔素和抗穿孔素雙序列，首先合成的抗穿孔素以某種構相分布于細胞膜，穿孔素合成后優(yōu)先與抗穿孔素結合。當外界條件允許時，膜發(fā)生去極化，抗穿孔素轉化成與穿孔素相同的膜分布構象，并與穿孔素發(fā)揮相同的功能[8]。

2 在畜禽養(yǎng)殖中的應用

2.1 防控細菌感染

自噬菌體被發(fā)現(xiàn)以來，人類一直探索用噬菌體替代抗生素防治動物細菌感染。目前在畜牧生產(chǎn)中應用最廣泛的噬菌體有大腸桿菌噬菌體、沙門氏菌噬菌體、空腸彎曲桿菌噬菌體、金黃色葡萄球菌噬菌體以及產(chǎn)氣莢膜梭菌噬菌體等。Smith等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在家畜養(yǎng)殖中飼喂含有大腸桿菌噬菌體的飼料能夠明顯降低豬腹瀉；Albino等[15]研究表明，沙門氏菌噬菌體可以有效防止豬沙門氏菌感染；Varelaoritz[16]等確定金黃色葡萄球菌噬菌體可以治療奶牛乳腺炎。Wagenaar等[17]研究表明，在家禽養(yǎng)殖中，單獨或聯(lián)合使用噬菌體可以有效防控雞空腸彎曲桿菌；還有學者證實噬菌體可以替代抗生素用于治療因產(chǎn)氣莢膜梭菌導致的雞壞死性腸炎；Huff等[18]通過氣囊給藥證實，噬菌體在防控雞呼吸道感染大腸桿菌具有顯著療效?？梢钥闯觯删w在防治畜禽常見疾病方面發(fā)揮出巨大作用。

2.2 改善腸道微生物菌群，調(diào)節(jié)機體健康

腸道是微生物聚集最豐富的場所之一，腸道內(nèi)含有大量的細菌、真菌和病毒，改善畜禽腸道健康能夠顯著提高畜禽的生產(chǎn)性能。例如，仔豬在生長發(fā)育期間極易因腹瀉導致死亡，家禽也容易因腸道疾病導致下痢和生長遲緩。利用噬菌體不僅能夠殺死畜禽腸道內(nèi)的有害細菌，而且能夠顯著調(diào)節(jié)畜禽腸道菌群平衡，維持腸道健康。研究表明，早期的腸道干預能夠對動物腸道菌群形成長期影響，同時還可以與腸道直接相互作用，通過直接穿越、感染細菌、受體介導的內(nèi)吞作用和巨噬細胞非特異性吞噬等形式穿過腸道上皮，進入動物血液、淋巴或內(nèi)臟[19]發(fā)揮殺菌作用。

3 噬菌體殺菌的局限性與開發(fā)前景

噬菌體雖然在抑制細菌、改善畜禽健康中發(fā)揮重要作用，但是也存在局限和不足。首先絕大多數(shù)噬菌體的特異性較強，宿主范圍窄，培養(yǎng)一種噬菌體往往只能抑制一種細菌，而且細菌還可能通過突變產(chǎn)生抗性，導致噬菌體失效。如果利用多種噬菌體混合發(fā)揮效用，可能會導致研究成本增加。其次噬菌體與細菌是相伴相生的，細菌死亡后噬菌體也將裂解，其攜帶的某些毒素因子可能會釋放到畜禽體內(nèi)而危害畜禽健康[20]。噬菌體死亡后，其蛋白成分可能成為抗原，引起機體免疫應答，清除這些異物會導致噬菌體的殺菌效果下降。

為了克服噬菌體的局限和不足，科學家們通過研究噬菌體作用機理，發(fā)現(xiàn)噬菌體發(fā)揮殺菌作用的主要過程是裂解酶水解細菌細胞壁，而大部分裂解酶本身對細菌的破壞遠大于噬菌體，因此具有巨大的開發(fā)應用潛力。相比較于噬菌體，裂解酶具有以下幾大優(yōu)勢：第一，裂解酶作用迅速高效，連續(xù)使用不會產(chǎn)生抗藥性[21]。第二，裂解酶的裂解譜較噬菌體廣，可以殺滅多種細菌，在殺菌和抑菌方面更具有優(yōu)越性。第三，裂解酶適宜的溫度和pH值與機體內(nèi)環(huán)境接近，規(guī)?；a(chǎn)的制劑能夠高效、及時地發(fā)揮作用。因此，未來有可能研發(fā)出更多的裂解酶用于治療畜禽細菌感染，改善動物健康。

4 小結與展望

綜上所述，噬菌體作為一種天然的細菌病毒，越來越多地被應用于防控畜禽細菌感染。但是由于其自身存在的局限性，可能逐漸被裂解酶所替代。而噬菌體與畜禽健康作用機理的的研究還不夠清楚，未來需要科學工作者更深入地研究噬菌體、細菌和機體的關系。