バクテリオファージ（ファージ）は、細菌に特異的に感染するウイルスです。これらの驚くべき存在は、細菌細胞を乗っ取り、増殖するための高度なメカニズムを進化させてきました。バクテリオファージの増殖サイクルの複雑さを理解することは、医学、バイオテクノロジー、環境科学などさまざまな分野でその可能性を活用するために極めて重要です。Creative Enzymesでは、バクテリオファージのライフサイクルの詳細なステップを紹介し、溶菌サイクルと溶原サイクルの両方、およびそれらを駆動する分子メカニズムを探ります。

溶菌サイクル

溶菌サイクルは、ファージが感受性のある細菌宿主に侵入し、その代謝機構を乗っ取って子孫ウイルス粒子を合成し、最終的に宿主細胞を溶解させて新たに形成されたファージを放出する、病原性の経路です。このサイクルは迅速であり、ファージや宿主種によって異なりますが、通常20～60分以内に完了します。

1. 付着：感染プロセスは付着から始まります。ファージは細菌細胞表面に存在する特定の受容体を認識し、結合します。これらの受容体には、宿主種やファージの種類によってリポ多糖（LPS）、テイコ酸、鞭毛、線毛などが含まれます。この特異性が宿主範囲や指向性を決定します。付着は、ファージの尾部繊維や他の特殊構造によって媒介され、高親和性の結合を促進します。
2. 侵入：吸着の後、ファージは侵入段階に進み、核酸（DNAまたはRNA）を宿主の細胞質内に注入します。これは通常、尾鞘の収縮（T4のような収縮性尾部ファージの場合）によって行われ、中空のコアチューブが細菌細胞膜を貫通します。タンパク質性カプシドは細胞外に残り、運搬装置としてのみ機能します。
3. ファージ構成要素の合成：宿主内に入ると、ファージゲノムは宿主の転写・翻訳機構をファージ構成要素の合成に向けて制御します。初期遺伝子はDNA複製や宿主制御に必要な酵素をコードし、後期遺伝子は構造タンパク質や溶菌酵素をコードします。細菌染色体はしばしば分解され、ヌクレオチドの供給や宿主遺伝子発現の抑制が行われます。
4. 組み立てと成熟：ファージ形態形成は組み立てと成熟の段階で起こります。構造タンパク質が自己組織化してカプシド、尾部、その他の構成要素を形成します。新たに複製されたゲノムは、ATP依存的なプロセスで事前に形成されたカプシドにパッケージされます。尾部繊維やベースプレートは順次かつ厳密に制御されて付加されます。その結果、成熟した感染性ウイルス粒子が生成されます。
5. 放出：最終段階は宿主細胞の溶解であり、ファージがコードするホリンとエンドリシンによって媒介されます。ホリンは内膜に孔を形成し、エンドリシンがペプチドグリカン層にアクセスして酵素的に分解します。細胞壁が損傷すると浸透圧による溶解が起こり、子孫ファージが放出されて新たな感染サイクルが始まります。

溶原サイクル

病原性の溶菌経路とは対照的に、溶原サイクルは主にラムダ（λ）などの温和なファージに関連する潜伏的な複製戦略です。このサイクルでは、ファージゲノムが宿主内で即座に細胞死を引き起こすことなく持続します。ファージDNAは宿主染色体に組み込まれ、細胞分裂時に宿主ゲノムとともに受動的に複製されます。

1. 組み込み：溶原化の決定的なステップは組み込みであり、ファージゲノムは侵入時に通常線状ですが、環状化して部位特異的組換えにより細菌染色体の特定部位に組み込まれます。この組み込まれたファージDNAはプロファージと呼ばれ、宿主細菌は溶原菌と呼ばれます。この組み込みは厳密に制御され、ファージゲノムがコードする組換酵素（例：インテグラーゼ）によって促進されます。溶原状態は通常安定しており非致死的で、プロファージはリプレッサータンパク質（例：λ CIリプレッサー）の作用により転写的に沈黙し、溶菌遺伝子の発現が抑制されます。
2. 複製：一度組み込まれると、プロファージは宿主ゲノムとともに受動的に複製されます。細菌が分裂するたびに、その子孫はプロファージのコピーを受け継ぎます。この状態では、ファージは事実上宿主の遺伝的レパートリーの一部となり、スーパーインフェクション耐性や新たな代謝能力（溶原転換）などの選択的優位性をもたらすこともあります。
3. 誘導：溶原状態は可逆的です。UV照射、抗生物質曝露、酸化ストレス、DNA損傷などのストレス条件下で、プロファージは細菌染色体から自身を切り離して誘導されることがあります。このプロセスは誘導と呼ばれ、溶菌プログラムを再活性化します。切り離されたファージゲノムは活発な複製を再開し、新たなウイルス粒子の産生と最終的な宿主細胞の溶解につながります。誘導は通常、細菌のSOS応答によって制御され、RecAプロテアーゼ活性がファージリプレッサータンパク質を切断し、溶菌遺伝子の抑制を解除します。

図1. 典型的な温和性ファージ コリファージ-λ のライフサイクル。ファージ粒子は尾部の先端で細胞表面に接触・付着し、ファージDNAが細胞内に入り、空のタンパク質殻が細胞外に残されます。次に、線状DNA分子の両端が結合して環状になります。この結合点はコヒーシブサイト（cos）と呼ばれます。一部の感染細胞では、DNAが転写・翻訳・複製されます。複製にはθ型とローリングサークルの2つの経路があります。ローリングサークル複製では、複数ゲノム分の線状二本鎖DNA（dsDNA）が生成され、DNAは事前に形成されたタンパク質殻に取り込まれます。尾部が付加され、細胞が溶解して多数のファージ子孫が放出されます。他の感染細胞では、ファージの発達が抑制され、ファージDNAが細菌染色体に組み込まれます。結果として生じた溶原細胞は無限に複製可能ですが、染色体からファージDNAが切り離されることで溶菌サイクルに戻ることができます。（Campbell, 2003）

溶菌戦略と溶原戦略：生物学的意義

溶菌経路と溶原経路の選択は、宿主の生理状態、環境条件、ファージの遺伝回路によって影響を受けます。例えば、宿主密度が高く栄養が豊富な場合は溶菌サイクルが有利となり、ファージの急速な増殖が可能となります。逆に、宿主密度が低い場合やストレス条件下では、生存戦略として溶原化が選択されることがあります。

生態学的観点から見ると、これら2つの複製様式により、ファージは（溶解による）個体群制御因子として、また（溶原化による）水平遺伝子伝達の媒体として機能します。この二重性が、微生物の進化や生態系ダイナミクスにおけるファージの役割を支えています。

特殊型および一般型形質導入

バクテリオファージのライフサイクルの注目すべき結果の一つは、特に形質導入を通じた水平遺伝子伝達におけるその役割です。

• 一般型形質導入は、溶菌サイクル中にファージのパッケージングエラーが発生し、ランダムな宿主DNA断片がファージ粒子に取り込まれることで起こります。これらの形質導入粒子は、外来の細菌遺伝子を次の宿主に導入することができます。
• 特殊型形質導入は温和性ファージの特徴であり、プロファージの切り離しが不正確に行われることで、隣接する細菌遺伝子が一緒に移動する場合に発生します。このプロセスはファージ組み込み部位近傍の遺伝子に限定されますが、進化的に大きな影響を及ぼすことがあります。

図2. 一般型形質導入（任意の細菌遺伝子をバクテリオファージを介して他の細菌に移すプロセス）と特殊型形質導入（特定の細菌遺伝子を受容細菌に移すプロセス）の違いのイラスト。一般型形質導入はランダムかつ容易に発生しますが、特殊型形質導入は染色体上の遺伝子の位置とプロファージの不正確な切り離しに依存します。

バクテリオファージの複製サイクルを理解することは、研究、治療、バイオテクノロジー分野でその可能性を最大限に活用する鍵となります。Creative Enzymesでは、精密さと性能を追求して設計・特性評価された高品質なファージ製品を各種ご用意しています。ご質問やお問い合わせはこちらからお気軽にご連絡ください。