ファージ

バクテリオファージ：細菌の捕食者

はじめに
バクテリオファージ（bacteriophage）、あるいは略してファージ（phage）は、細菌や古細菌に感染して増殖するウイルスです。その名はギリシャ語の「細菌を食べるもの」に由来し、これはファージが感染した細菌を内部から破壊し（溶菌）、死滅させる様子を表しています。地球上のあらゆる場所に存在し、その数は他のすべての生命体を合計したよりもはるかに多い、推定10³¹個以上に達すると考えられています。特に海洋などの水圏環境では、微生物生態系において重要な役割を果たしています。

構造
ファージの基本的な構造は、遺伝情報を担う核酸（主に二本鎖DNA）を格納するタンパク質の外殻（カプシド）と、細菌に付着し核酸を注入するための尾部から成ります。尾部は多様な形態を持ち、宿主細菌の細胞壁などを突破するために酵素（例：T4ファージのリゾチーム）を利用するなど、精巧な仕組みを備えています。尾部は収縮性の有無などによっていくつかのタイプに分けられます。全体の大きさは一般的に25ナノメートルから200ナノメートル程度です。

生活環と多様性
バクテリオファージは、感染後の宿主細菌との相互作用様式によって、主に「溶菌サイクル」と「溶原サイクル」という二つの異なる生活環を持ちます。

1. 溶菌サイクル: このサイクルをとる「溶菌性ファージ」は、感染後すぐに自身の複製を始め、多数の子孫ウイルスを生産します。粒子が十分に増えると宿主細菌を溶菌させ、細胞外へ一斉に放出されます。この過程で宿主細胞は破壊され死に至ります。
2. 溶原サイクル: このサイクルをとる「溶原性ファージ」は、自身のゲノムを宿主細菌の染色体DNAに組み込むか、プラスミドとして細胞内に潜伏します。この潜伏状態のゲノムは「プロファージ」と呼ばれ、宿主細菌が分裂・増殖する際に共に複製されます。通常、宿主をすぐに殺すことはありませんが、特定のストレス条件下で活性化し、溶菌サイクルに移行することもあります。

バクテリオファージの多様性は非常に高く、形態やゲノム構造、生活環の様式などによって国際的に分類されています。ゲノムサイズも極めて小さいものから巨大なものまで様々です。多くのファージゲノムは、他のファージ由来の遺伝子断片が組み合わさったモザイク構造を示しており、遺伝子の水平伝播が頻繁に起こっていることが示唆されています。

溶原変換
医学上重要な現象として「溶原変換」があります。これは、溶原性ファージが細菌に感染する際に、自身が持つ特定の遺伝子（例：細菌毒素遺伝子、抗生物質耐性遺伝子）を宿主細菌に付与する現象です。この結果、無害な細菌が強力な病原性を持つ株に変異することがあり、例えば腸管出血性大腸菌O157がベロ毒素を産生するようになるのは、溶原性ファージを介した溶原変換によるものです。

歴史
バクテリオファージの発見は20世紀初頭に遡ります。1890年代にインドの河川水にコレラ菌を殺す物質が存在することが報告され、その後1915年にイギリスのフレデリック・トウォートが、そして1917年にはフランス系カナダ人のフェリックス・デレーユが、細菌に感染する微小な存在として独立に発見しました。特にデレーユはこれを「バクテリオファージ」と命名し、感染した細菌を溶菌させる性質を明らかにしました。バクテリオファージは、分子生物学黎明期における重要な研究対象となり、遺伝物質がDNAであることを示したハーシーとチェイスの実験や、ウイルスの複製機構の解明に貢献し、関連研究者がノーベル賞を受賞しています。

応用分野
バクテリオファージは、その特異的な細菌感染能力や多様な性質を利用して、幅広い分野で応用されています。

ファージセラピー: 抗生物質が効かない多剤耐性菌による感染症に対し、代替または補完的な治療法として世界的に注目されています。特定の細菌だけを攻撃するため、人間の細胞や有益な常在菌への影響が少ないという利点があります。
食品安全: 食品中の食中毒原因菌を制御する目的で、特定のファージが利用されています（例：リステリア菌対策）。
診断: 特定の細菌を検出・識別したり、抗生物質への感受性を迅速に判定するための診断ツールとして開発されています。
基礎研究・遺伝子工学: バクテリオファージは、生命現象の基礎原理を探るためのモデル生物として、また遺伝子導入（形質導入）や特定のタンパク質の選抜（ファージディスプレイ）など、遺伝子工学のツールとしても不可欠な存在です。
* 環境・その他: 環境中の汚染物質分解に関与する細菌の制御や、生物兵器対策、農業分野などでも応用が検討されています。

まとめ
バクテリオファージは、地球上の生態系において極めて重要な役割を担う、遍在するウイルスです。その独特な生物学的性質は、基礎研究だけでなく、医療分野における薬剤耐性菌問題の解決や、食品安全、環境保全など、様々な現代的課題に対する革新的な解決策を提供することが期待されています。

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