How big is 噬菌体?
260 nanometers!
噬菌体是一种感染细菌的病毒，其名称（bacteriophage）源自希腊语中意为“吞噬”的词。本站图中所示的噬菌体形似 T4——一种感染大肠杆菌（Escherichia coli）的病毒。T4 从头部顶端到尾部末端约长 260 纳米。纳米是十亿分之一米。
大小
病毒有多种形状，像 T4 这样的噬菌体具有生物学家所称的“复杂形”结构：它们有一个容纳病毒 DNA 的头部、一条尾部，以及用于附着细菌的尾丝。长期以来，T4 一直被用作研究病毒和细胞运作方式的模式生物，人们对它的结构测量得非常精细。
T4 的头部是一个拉长的二十面体，长 120 纳米、宽 86 纳米，内部装有一条约 17.1 万个碱基对长的 DNA 分子；碱基对是 DNA 链上的一级“梯级”。头部下方的尾部约长 140 纳米，其外鞘长 92.5 纳米、宽 24 纳米，末端连接着一个宽约 52 纳米的六边形底座。
六根细长的尾丝从底座向外伸展，形似腿脚，每根都在关节处弯曲；每根尾丝约长 144–160 纳米，比尾部本身略长一些。
大小比较
- T4 感染的大肠杆菌约长 2 微米、宽 1 微米，长度约为 T4 的 8 倍。微米是千分之一毫米。
- 如果把 T4 放大到身高 1.7 米的人那么高，大肠杆菌细胞就会长约 13 米、宽约 6.5 米。
- 大约 300–400 个 T4 噬菌体首尾相连，就能铺满一根人类头发的宽度，头发宽约 80–100 微米。
- T4 的头部宽度不到普通光学显微镜能显示的最精细细节（约 200 纳米，即光学显微镜的极限）的一半，因此噬菌体改用电子显微镜拍摄。
- T4 的长度约为 HIV 病毒颗粒宽度的 1.8 倍。一个拟菌病毒颗粒宽约 750 纳米，接近 T4 长度的 3 倍。
噬菌体如何感染细菌
噬菌体首先附着在细菌表面的特定分子上。大多数噬菌体只能感染一种细菌，甚至只能感染其中一个菌株。随后，T4 的尾鞘收缩，像注射器针头一样将病毒的 DNA 注入细胞壁内，而头部和其余部分则留在细胞外。
进入细胞后，噬菌体的基因会接管细胞，使其开始制造新噬菌体的各个部件。新噬菌体组装完成后，细胞会破裂开来，将它们释放出去感染其他细胞。一个受感染的细胞大约能释放出 100–300 个像 T4 这样的噬菌体。
噬菌体与医学
由于每种噬菌体只攻击特定细菌，医生可以利用噬菌体来治疗细菌感染，这种方法称为噬菌体疗法。噬菌体于 20 世纪初被发现。后来青霉素等抗生素的发现，使大多数国家放弃了噬菌体疗法，但苏联和东欧的少数国家一直沿用至今。
噬菌体相比抗生素有一个优势：它们只杀死目标细菌，而抗生素还会杀死体内有益的细菌。一本 2016 年的微生物学教材指出，随着越来越多的细菌对抗生素产生耐药性，人们对噬菌体疗法的兴趣正重新兴起。
参考资料
- Bacteriophage T4 Head: Structure, Assembly, and Genome Packaging. Rao et al., Viruses, 2023.
- Morphogenesis of the T4 tail and tail fibers. Leiman et al., Virology Journal, 2010.
- Viruses. In Microbiology. OpenStax, 2016.
- The Viral Life Cycle. In Microbiology. OpenStax, 2016.
- How big is an E. coli cell and what is its mass?. In Cell Biology by the Numbers. Ron Milo and Rob Phillips, Garland Science.
- How many virions result from a single viral infection?. In Cell Biology by the Numbers. Ron Milo and Rob Phillips, Garland Science.
- How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
- Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
- Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.