バクテリオファージ（ファージ）は、細菌細胞に特異的に感染し、複製するウイルスです。バクテリオファージは地球上で最も豊富な生物学的存在であり、土壌、水、人間のマイクロバイオームなど多様な環境に存在します。20世紀初頭にFrederick W. TwortとFélix d'Hérelleによって独立して発見されて以来、バクテリオファージは医学、バイオテクノロジー、環境科学への応用の可能性から大きな関心を集めています。

Creative Enzymesでバクテリオファージの魅力的な世界に触れ、その構造、分類、ライフサイクル、機能、応用についてさらに学びましょう。

バクテリオファージの構造と分類

基本構造

すべてのバクテリオファージは、ヌクレイン酸ゲノム（DNAまたはRNA）をカプシドと呼ばれるタンパク質の殻で包んでいます。バクテリオファージの形態は非常に多様ですが、ほとんどは遺伝物質を含む頭部構造と、細菌細胞への付着に使われる尾部を持っています。頭部は二十面体型またはフィラメント型であり、尾部には収縮性鞘や尾繊維など、細菌受容体への付着を助ける特殊な構造を持つことがあります。

分類

バクテリオファージは、その形態、ゲノムタイプ、複製戦略に基づいて分類されます。最もよく知られているファミリーには以下があります。

• Myoviridae：長い収縮性の尾部を特徴とします。Escherichia coliなどの細菌に感染し、溶菌性ライフサイクルで知られています。
• Siphoviridae：長い非収縮性の尾部を持ち、ゲノムを細菌染色体に組み込むことができ、溶原性サイクルを引き起こします。
• Inoviridae：柔軟で非収縮性の尾部を持つフィラメント状ファージです。主にグラム陰性細菌に感染し、宿主細胞を溶菌させずに複製します。

図1. 3種類の尾部ファージ。a. Siphoviridaeはカプシドと長い非収縮性尾部を持つ。b. Myoviridaeはカプシドと長い収縮性尾部を持つ。c. Podoviridaeはカプシドと短い非収縮性尾部を持つ。カプシドはゲノムを包み保護することができる。（Ge et al., 2019）

バクテリオファージのライフサイクル

溶菌サイクル

溶菌サイクルは、ファージが細菌宿主に感染し、速やかに殺す過程です。主なステップは以下の通りです。

1. 吸着：ファージの尾繊維が細菌表面の特定の受容体に付着します。
2. 侵入：ファージが遺伝物質を細菌の細胞質内に注入し、カプシドは外部に残ります。
3. 複製と組み立て：ファージは細菌の機構を乗っ取り、自身のゲノムを複製し新しいファージ粒子を産生します。
4. 溶菌：宿主細胞が破裂し、新しいファージ粒子が放出されて他の細菌に感染します。

溶原サイクル

溶原サイクルでは、ファージは自身のゲノムを細菌染色体に組み込み、プロファージとなります。プロファージは細菌DNAとともに複製され、娘細胞に受け継がれます。特定の条件下で、プロファージは細菌ゲノムから切り離され、溶菌サイクルに入ることができます。このサイクルにより、ファージは宿主細菌と共存し、即座に破壊することなく存在できます。

図2. バクテリオファージのライフサイクルの段階（溶菌相と溶原相）。（Raza et al., 2021）

バクテリオファージの機能と役割

遺伝子交換

バクテリオファージは、水平遺伝子伝達を通じて細菌の進化に重要な役割を果たします。これは2つのメカニズムによって起こります。

• 一般型形質導入：溶菌サイクル中に細菌DNAのランダムな断片がファージ粒子に取り込まれ、他の細菌に移されます。
• 特殊型形質導入：溶原性ファージが溶菌サイクル中に自身のゲノムとともに細菌DNAを切り出し、特定の細菌遺伝子を新たな宿主に移します。

生態学的影響

バクテリオファージは自然環境における細菌集団の主要な調節因子です。特定の細菌種を捕食することで微生物多様性を維持し、単一種の支配を防ぎます。水環境では、ファージが細菌プランクトンの個体数を制御し、栄養循環や水質に影響を与えます。

バクテリオファージの応用

• ファージセラピー：ファージセラピーは、バクテリオファージを用いて細菌感染症を治療する方法です。特に抗生物質耐性菌への対策として有望視されています。ファージは非常に特異的で、病原性細菌のみを標的とし、有益な微生物には影響を与えません。しかし、免疫系によるファージの迅速な除去や、多様な細菌株に対応するための個別化ファージカクテルの必要性など、課題も残っています。
• バイオテクノロジーと遺伝子工学：バクテリオファージは遺伝子工学のツールとして広く利用されています。例えば、ファージディスプレイ技術は、ペプチドやタンパク質をファージ表面に提示し、創薬のための特定分子の選択を可能にします。また、ファージはクローニングや遺伝子発現研究のベクターとしても利用されます。
• 環境および産業応用：ファージは食品加工や廃水処理などの産業現場で細菌汚染の制御に利用されています。また、農業分野では作物を細菌性病原体から守るためにも応用されています。

図3. ファージセラピー：臨床応用、有効性、導入の課題。（Fowoyo, 2024）

課題と今後の展望

• 耐性と進化：細菌は受容体の修飾やCRISPR-Casシステムなどのメカニズムによってファージに対する耐性を獲得できます。これらの耐性メカニズムの理解と克服は、治療やバイオテクノロジーでファージを効果的に利用するために重要です。
• 規制と臨床上の課題：ファージセラピーは、ファージと細菌の相互作用の複雑さや厳格な臨床試験の必要性から、規制上の課題に直面しています。標準化されたプロトコルの開発や、ファージ治療の規制承認の取得が継続的に進められています。
• 研究とイノベーション：今後の研究は、特に慢性感染症やバイオフィルム関連疾患の治療におけるファージの利用拡大に焦点を当てます。合成生物学の進歩により、より高い特異性と有効性を持つファージの設計が可能になるかもしれません。さらに、エンドリシンなどファージ由来酵素の開発は、従来の抗生物質に代わる有望な選択肢となります。

まとめると、バクテリオファージは自然界の微生物ハンターとして、細菌集団の形成や遺伝的多様性の推進に重要な役割を果たしています。その独自のライフサイクルと特異性は、医学、バイオテクノロジー、環境管理において貴重なツールとなっています。耐性、規制、臨床応用に関する課題はあるものの、バクテリオファージの可能性は非常に大きいです。今後の研究とイノベーションにより、新たな応用が開拓され、既存の障壁が克服されることで、ファージベースの治療や技術が一般的になる未来が期待されます。

Creative Enzymesは、農業、畜産、水産養殖、食品分野の細菌問題に対応するため、細菌特異的なものから複数バクテリオファージのよく研究された混合製品まで、幅広く高効率なバクテリオファージ製品を提供しています。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！