バクテリオファージ（しばしば単にファージと呼ばれる）は、細菌に特異的に感染するウイルスです。地球上で最も豊富かつ多様な生物学的存在の一つであり、生態系で重要な役割を果たすとともに、医学やバイオテクノロジー分野で有望な応用が期待されています。バクテリオファージの精巧な構造を理解することは、さまざまな分野でその可能性を活用するために不可欠です。

バクテリオファージの基本構造

バクテリオファージの中心には、その遺伝物質があり、これは一本鎖または二本鎖のDNAまたはRNAで構成されています。この遺伝物質は、カプシドと呼ばれる保護用のタンパク質殻に包まれています。カプシドは、遺伝物質を環境の危険から守るだけでなく、ファージが細菌宿主に付着するのを助ける役割も果たします。

図1. バクテリオファージの構造。（Mishra et al., 2024）

カプシド構造

カプシドは、バクテリオファージの遺伝物質を包むタンパク質の殻です。これは保護バリアとして機能し、ウイルスゲノムを適切な宿主に到達するまで環境の危険から守ります。カプシドの構造は通常、二十面体（イコサヘドラル）であり、強度と効率性を提供します。この幾何学的配置により、カプシドは外部からの圧力に耐えつつ、内部の遺伝物質の貯蔵容量を最大化します。

カプシドは、カプソマーと呼ばれるタンパク質サブユニットから構成されており、これらが自己組織化して正確な幾何学的配置を形成します。カプソマーの配置はファージごとに異なり、多様なカプシドの大きさや形状を生み出します。この違いがファージの感染性や宿主範囲に影響を与えます。また、一部のバクテリオファージは、宿主認識や付着に関与する追加のタンパク質をカプシド上に持ち、特定の細菌細胞への感染能力を高めています。

テールファイバーとベースプレート

テールファイバーとベースプレートは、ファージが細菌宿主と相互作用するために不可欠な構成要素です。テールファイバーは細長く柔軟な棒状で、標的細菌表面の特有の分子マーカーを認識するよう高度に特化しています。この特異性により、ファージは効率的に目的の宿主を見つけて付着し、感染プロセスを開始します。

テールファイバーが細菌表面に結合すると、ベースプレートが構造変化を起こし、感染サイクルの次の段階を促進します。この変化は、感染の次のステップを駆動する他の構成要素の収縮を引き起こすことが多いです。ベースプレートがこのような変化を起こす能力は、ファージ構造の複雑さと精密さを示しています。

収縮性テール（Myoviridae）

Myoviridae科に属するファージ（T4ファージなど）は、分子注射器のように機能する収縮性テールを持っています。テールは、内側のテールチューブを囲む剛直なシースから構成されています。細菌細胞に付着すると、シースが収縮し、テールチューブが宿主の細胞膜を貫通してウイルスゲノムを細胞内に注入します。この仕組みにより、厚いペプチドグリカン層を持つ細菌にも効率的にゲノムを送り込むことができます。

Myoviridaeファージの収縮性テールシステムは非常にダイナミックです。クライオ電子トモグラフィーによる構造研究では、収縮時にテールシース内で起こる再配置が明らかになっています。このテールシステムの堅牢性により、Myoviridaeファージは幅広い細菌種に感染でき、ファージセラピーへの応用価値が高いとされています。

非収縮性テール（Siphoviridae）

Siphoviridaeファージ（ラムダファージなど）は、長く柔軟な非収縮性テールを持ち、より緩やかなプロセスで宿主認識とゲノム移行を行います。これらのファージのテールファイバーは細菌表面と最初の接触を確立し、テール先端がDNAの導入を助けます。Myoviridaeのように機械的な力でゲノムを注入するのではなく、Siphoviridaeファージは浸透圧勾配に応じてテールチャネルを通じてDNAを移動させる拡散ベースのプロセスを利用します。

Siphoviridaeのテールの構造的柔軟性は、多様な受容体型への適応を可能にし、感染効率を維持しつつ宿主特異性を実現します。高解像度イメージング研究では、これらのテールの長さや柔軟性が宿主範囲に影響し、長いテールほど広い感染性を持つことが示されています。

短いテール（Podoviridae）

Podoviridaeファージ（T7など）は、収縮性要素を持たない短く太いテールが特徴です。感染メカニズムは、細菌表面の酵素的分解によってゲノム導入を促進します。これらのファージのテールタンパク質は、デポリメラーゼやリゾチーム様活性を持つことが多く、細菌の防御を突破します。

Podoviridaeファージは、短いテールを補うため、酵素分解が始まる前に正確な付着を保証する特殊な受容体結合タンパク質を利用します。この効率的な感染プロセスにより、Podoviridaeは急速に増殖する細菌集団への感染に適しています。

図2. 3つのテール型ファージファミリー（Myoviridae、Siphoviridae、Podoviridae）。（Elbreki et al., 2014）

構造に基づくバクテリオファージの種類

バクテリオファージは、その構造的特徴に基づいていくつかのタイプに分類できます。最も一般的な分類は、線状型、テール付き二十面体型、テールなし二十面体型の3つの構造グループに分けられます。

線状バクテリオファージ

Pf1、fd、M13などの線状バクテリオファージは、長さ800～2000nmの棒状構造を持っています。これらのファージは、一本鎖DNAの周囲にαヘリックス構造のコートタンパク質が数千個螺旋状に配列しています。線状ファージは、感染後に宿主細胞を溶菌しない点が特徴的です。代わりに、継続的なプロセスで子孫を放出し、宿主細胞は生存し続けます。

図3. Ffバクテリオファージの構造とファージディスプレイで最も一般的に使用されるビリオンタンパク質。（A）原子間力顕微鏡で観察したFfビリオン。（B）Ffバクテリオファージの模式図。（C）pVIIIコートタンパク質のリボン表現（上面および側面図）（RCSB PDBデータベースアクセッション番号2cOw；バクテリオファージ一本鎖DNAの周囲に配列、DNAは表示していません）。（D）pIIIのN1およびN2ドメインのリボン表現（RCSB PDBデータベースアクセッション番号1g3p）。（Gagic et al., 2016）

テール付き二十面体バクテリオファージ

T4やT7などのテール付き二十面体バクテリオファージは、DNAが二十面体カプシド内に格納され、テール構造と接続されているのが特徴です。テールには、細菌表面の特定の受容体を認識・結合するファイバーやスパイクが備わっています。この特異性により、ファージは特定の細菌株を標的とし、高い選択性を持つエージェントとなります。

T4ファージはこのグループのよく研究された例です。細長い二十面体ヘッドと収縮性テールを持つ複雑なオタマジャクシ型構造をしています。ヘッドには二重鎖DNAが含まれ、二層のタンパク質壁で保護されています。テールは中空のコアと、それを囲む収縮性シースからなり、感染時に中空コアを細菌細胞内に押し込みます。

図4. WX174様ファージST-1がE. coliミニ細胞に感染するクライオ電子顕微鏡トモグラム。a–c：感染プロセスの3つの状態を示すトモグラムのスライス。d–h：a–cから拡大した画像。d：ウイルスが外膜（OM）に付着。二十面体粒子の五量体スパイクの一つがE. coli細胞壁のリポ多糖（LPS）分子を認識。e, f：付着後、ウイルスはDNA浸透のためのチューブを突出。チューブ（白矢印）がペリプラズム空間を横断し、外膜と内膜（IM）に挟まれている。g, h：DNA注入後、伸長したテールが分解を開始。I：WX174感染の模式図。（Sun et al., 2014）

テールなし二十面体バクテリオファージ

テールなし二十面体バクテリオファージはあまり一般的ではなく、特定の細菌宿主に感染する傾向があります。これらのファージは、細菌細胞への付着や侵入のために代替メカニズムを利用します。その構造や感染プロセスは大きく異なり、特定の生態的ニッチや宿主環境への適応を反映しています。

図5.（左）PseudoalteromonasファージPM2ビリオンのX線結晶構造（7Å分解能、二重対称軸に沿って観察）。（中央）模式図、（右）PseudoalteromonasファージPM2粒子のネガティブ染色電子顕微鏡像。バーは50nmを示す。（Corticoviridae, 2012）

構造的多様性と進化的適応

バクテリオファージは、さまざまな細菌宿主や環境への進化的適応を反映した、顕著な構造的多様性を示します。この多様性は、カプシドやテール、その他の構成要素の大きさ、形状、組成に現れています。

宿主-ファージ共進化

細菌とファージの間で続く軍拡競争は、両者の進化を促進します。細菌は、表面受容体の変化やファージ成分を分解する酵素の産生など、抵抗機構を発達させます。これに対し、ファージは、耐性宿主を認識・感染する能力を高める構造的適応を進化させます。例えば、一部のファージは新たな受容体結合タンパク質を獲得したり、テールファイバーを改変して別の細菌受容体と相互作用できるようにします。

構造的可塑性

ファージの中には、環境の変化に応じて異なる形態に切り替える構造的可塑性を示すものもあります。この可塑性により、ファージは状況の変化に適応し、感染性を最適化できます。例えば、特定のファージはテールファイバーの長さや組成を変化させ、異なる細菌宿主を標的にしたり、宿主防御を回避したりします。

環境要因の影響

温度、pH、塩分濃度などの環境要因も、ファージの構造や機能に影響を与えます。温泉や深海熱水噴出孔など極限環境で生息するファージは、過酷な条件下でも安定性と機能性を維持する独自の構造的特徴を持っています。これらの適応には、変性に強い特殊なタンパク質や、低水分環境で効率的にゲノムを送り込む仕組みが含まれます。

図6. ファージと細菌の共進化に影響を与える要因。要因は、特定のファージと細菌の存在に関連する要因、共進化が起こる条件に関する要因、突然変異負荷などのゲノム的要因の3つの主なグループに分類できます。ARD：軍拡競争ダイナミクス、FSD：変動選択ダイナミクス、LPS：リポ多糖。（Jdeed et al., 2025）

バクテリオファージは、細菌宿主に感染し操作する多様な構造的特徴を持つ精巧なウイルス性寄生体です。そのカプシド、テール、その他の構成要素は、細菌表面との特異的な相互作用を促進するよう進化しており、効率的なゲノム導入と複製を実現しています。バクテリオファージの構造を理解することは、ウイルス生物学の知識を深めるだけでなく、抗生物質耐性感染症対策からナノテクノロジーの発展まで、さまざまな応用の可能性を切り開きます。

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