引用：「図解 分子細胞生物学」裳華房、浅島誠 駒崎伸二
引用；Wikipedia
バクテリオファージの電子顕微鏡写真を思い出すと、まるで蚊が皮膚を刺すようだった。
ある研究機関の分子構成の動画を見ると、なにものかに引き寄せられるように特定のタンパク質の塊が整然と集合して、ファージの形になって行く。不思議としか言いようがない。
「分子細胞生物学」という参考書の中に、細胞内の微小管の伸長の記述がある。 ほとんどよく似た二種類のチューブリンというタンパク質が対になってコイル状に連結してチューブができて行くのだが、チューブリンの対が接着して片方が伸長し、反対側ではその対が外れて行く。
ファージもこれと似たような作られ方をしているようだ。タンパク質の凹凸がぴたっとはまって、自然と管になったり、多面体になったり、飾り物みたいになったりして、最後に一種のロボットが完成する。
このロボットは大腸菌の細胞膜に蚊のような足で着陸して注射針を突き刺し、DNAの紐を注入する。
ファージさえもこんな不思議な芸術的な作られ方と動作をする。
ましてや、大腸菌その他のバクテリアやヒトの細胞の複雑さはどれほどであろう。
思うに、この自分もこんな複雑な作られ方と動作をしている。
これは、、神様だ。
自分もまた神様だ。
それで、今朝、鏡を見て、年取った自分の顔に合掌した。
おはようございます、神様。
バクテリアの中でファージの構造ができあがると、タコの口のような部分がATPのエネルギーで回転して、複製されたファージのDNAをネジのようにタコの頭の中に吸い込んでゆく、そんなイメージが浮かんだ。
{Wikipedia}
ファージ (Phage) は細菌に感染するウイルスの総称。正式にはバクテリオファージと呼ばれる。
バクテリオファージの模式図
ファージの基本構造は、タンパク質の外殻と遺伝情報を担う核酸 (主に二本鎖DNA) からなる。ファージが感染した細菌は細胞膜を破壊される溶菌という現象を起こし、死細胞を残さない。細菌が食べ尽くされるかのように死滅するため、これにちなんで「細菌（bacteria）を食べるもの（ギリシア語:phagos）」を表す「バクテリオファージ(bacteriophage)」という名がつけられた。
20世紀初頭にアーネスト・ハンキンとフレデリック・トウォートによって独立に発見され、カナダの生物学者フェリックス・デレーユによって溶菌作用が見出された。初期の分子生物学においてモデル生物として盛んに用いられた。またファージのゲノムは改変され、遺伝子導入やDNA断片のライブラリ作成などにも用いられている。有名なファージの一つにはラムダファージ（λファージ）があり、大腸菌に感染する。全ゲノムの解読はラムダファージで行われた（ゲノムプロジェクト）。また、ウイルス粒子が非常に複雑な形態のT4ファージもよく知られている。
バクテリオファージには多くの種類が知られており、その大きさは25-200nm程度である。形状も様々な種類が知られており、多くの種は正二十面体様のカプシドを頭部としてそこから尾が伸びている。中には真核生物に感染するウイルスのように、単純に頭の部分のみを持つ種もある。ファージの尾部は細菌の細胞外に発達した莢膜や、ペプチドグリカンから成る細胞壁を突破して、細菌の細胞内にファージの核酸を送り込む機能を持つ。例えばT4ファージの尾の先端にある基盤を構成する蛋白質にはリゾチームとして機能する部分があり、これがペプチドグリカンを加水分解して細菌の細胞壁に穴を開ける。ファージの尾は、細菌細胞に核酸を送り込む時に収縮する長い尾、柔軟に屈曲するが収縮はしない長い尾、収縮しない短い尾の3種類がある。例えばT4ファージは長くて収縮するタイプ、ラムダファージは長くて屈曲するタイプの尾を持っている。
また、他のサイトでは次のように記述されている。
引用： 生命系のための理工学基礎 https://rikei-jouhou.com/phage/
バクテリオファージとは細菌(バクテリア)に感染するウィルスのことを指します。ファージはDNAとそれを取り囲むコートタンパク質、感染と増殖に必要な制御タンパクの3種類のみで構成されています。
代謝やセントラルドグマの機能は感染先の宿主(細菌)のものを利用します。果たしてこれが生物と呼べるのかどうかは要議論です。
大腸菌に外来DNAを導入するために利用するファージはλファージ、T4ファージ、M13ファージ、SP6ファージが用いられます。具体的にλファージとT4ファージの構造を見てみましょう。
T4ファージはまさに月面着陸できそうな形をしています。λファージはそこから月面着陸の足を取り除いた構造をしています。両方とも頭部に二本鎖DNAを保持しており、細菌の細胞内に侵入すると環状になります。M13ファージは一本鎖DNAを保持しています。SP6ファージは二本鎖DNAです。
λファージの生活環
ファージが大腸菌の細胞膜に着陸すると、大腸菌の膜タンパク質を認識してファージDNAを細胞内に注入します。λファージは環境によって溶菌サイクルまたは溶原化サイクルのうち一方の生活環(ライフスタイルのこと)を選択します。
溶原化サイクルにあるファージは溶原ファージと呼ばれています。ファージDNAは大腸菌の染色体DNAに取り込まれることで潜伏し、宿主の増殖ともにファージDNAも受け継がれます。
溶菌サイクルにあるファージは溶菌ファージまたは毒性ファージと呼ばれています。宿主の増殖機能が占拠されて娘ファージが産生され、最終的に細胞膜が破壊されて外に飛び出します。
溶原化サイクル
溶原化サイクルは全てのファージに共通する生活環ではなく、二本鎖DNAを持つファージに特有なものです。大腸菌の膜タンパク質を認識して吸着すると、細胞膜に穴を開けて頭部に収納していたファージDNAを宿主内に注入します。
するとファージDNAの両端にあるcos部位と呼ばれる12塩基分の突出末端同士が相補的な塩基対を形成して環状二本鎖DNAになります。さらに、ファージDNAの遺伝子発現抑制タンパクであるリプレッサーとファージDNAの組み替え酵素であるインテグラーゼが発言します
リプレッサーはファージDNAの遺伝子発現を抑えることで溶菌化サイクルに入るのを防ぎます。また、インテグラーゼによってファージDNAが大腸菌の染色体DNAに組み込まれます。この状態のファージのことをプロファージと呼びます。 プロファージは染色体の複製と細胞分裂の際にともに受け継がれることで大量の溶原化サイクルにある大腸菌を生成することができます。
溶菌サイクル
ひとたび溶菌サイクルに入ると大腸菌の染色体DNAに組み込まれていたプラスミドDNAは切り離されます。λファージは宿主の複製・発現機構を乗っ取ることでファージDNAの複製と外殻タンパク質の合成を開始します。
ファージ粒子を形成し、十分な数が出来上がると最近の細胞壁を破壊するリゾチームを合成し、大腸菌の細胞壁を破って外に飛び出します。1つの大腸菌からだいたい50〜100程度のλファージが作られ、一連の溶菌サイクルは約１時間以内に収まります。
M13ファージの生活環
M13ファージの端にあるg3pと呼ばれるタンパクが大腸菌の性繊毛を認識して付着し、一本鎖DNAを注入します。
一本鎖ファージDNAを大腸菌DNAポリメラーゼを利用して二本鎖DNAに転換します。
大腸菌の複製機構を利用して二本鎖ファージDNAを複製します。
大腸菌の翻訳機構を利用してファージ粒子を構成するタンパク質を大量産生します。
大量産生されたタンパク質の１つであるg5pが、二本鎖ファージDNAを鋳型として合成された一本鎖ファージDNAに結合します。
大腸菌の性繊毛とはなんぞや。
{Wikipedia}
性線毛（せいせんもう、Pilus）とは、多くの細菌の表面に見られる毛の様な付属物である。細菌の接合の際に使われる。多量体化したピリンというタンパク質から構成される。
接合に関わる性線毛はある細菌と、同種のまたは異種の細菌の細胞膜同士を架橋する。これによって細胞間でプラスミドの移動が可能となる。交換されたプラスミドは、細菌の中で例えば抗生物質耐性など新しい形質を発現する。
複製サイクルの初期段階でウイルスやバクテリオファージが性線毛の受容体に結合することもある。
性線毛はおよそ6から7nmの直径である。接合の間は一方の細菌から伸びて他方の細菌の細胞質と核を通して直接接している。この核はDNAの移動を可能とする。このような形質転換の機構によって、有利な遺伝形質は種の中で広がる。全ての細菌が性線毛を作る能力を有するわけではないが、異なる種の細菌間で性線毛を作ることもできる。
ファージがチューブからDNAを注入するとき、ヘッドの口の部分にあるネジのボルトのようなタンパク質を回転させてるようだが、 これにはATPが必要であろう。どこから調達しているのだろうと、資料を探していたら、英文のWikipediaでλファージの解説があった。Structure and function of bacteriophage T4 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4275845/
ポリンというタンパク質が、大腸菌の細胞膜にあって、限定された大きさの物質を通過させる。λファージはこのポリンにチューブの先端をくっつけてDNAを注入するという。
{Wikipedia}
Lambda phage J protein interaction with the LamB porin
Lambda phage is a non-contractile tailed phage, meaning during an infection event it cannot 'force' its DNA through a bacterial cell membrane. It must instead use an existing pathway to invade the host cell, having evolved the tip of its tail to interact with a specific pore to allow entry of its DNA to the hosts.
1. Bacteriophage Lambda binds to an E. coli cell by means of its J protein in the tail tip. The J protein interacts with the maltose outer membrane porin (the product of the lamB gene) of E. coli,[6] a porin molecule, which is part of the maltose operon.
2. The linear phage genome is injected through the outer membrane.
3. The DNA passes through the mannose permease complex in the inner membrane [7] (encoded by the manXYZ genes) and immediately circularises using the cos sites, 12-base G-C-rich cohesive "sticky ends". The single-strand viral DNA ends are ligated by host DNA ligase.
{Wikipedia}
ポリンはβシート構造で構成されており、通常は細胞質側のβターンとアミノ酸の長いループで結合している。βシートは逆平行であり、βバレルと呼ばれる円筒形の構造を作っている。このβシートでは極性アミノ酸と無極性アミノ酸が交互に並んでいる。無極性アミノ酸は外部に面し無極性脂質と、極性アミノ酸はβバレルの内部に面し水チャネルとそれぞれ相互作用する。
ポリンのチャネルは、空洞の内部に突き出たアイレット（eyelet）と呼ばれるループ構造によって部分的にブロックされる。アイレットは通常、それぞれのバレルの第5と第6ストランドの間に存在し、チャネルを通過できる溶質のサイズを決めている。ほぼ荷電アミノ酸のみがチャネルの両極に並んだ構造をしており、孔全体に横向きの電荷を作り出す。アイレットは4つのGlu、7つのAspによって出来た余剰の負電荷を持っている。この負電荷は2つのカルシウム原子の影響を受け、1つのHis、2つのLys、3つのArgによって出来た正電荷と部分的に打ち消しあう。この不斉配列により、チャネルを通り抜けることが出来る分子が決定されている。
でもまだ、ATPのことはわからない。思うに。
ATP合成酵素が、回転方向を切り替えることにより、ATPをADPから産生したり、また、ATPをADPにしながらプロトンを輸送しているように、ファージのヘッドの部分の回転機構は、DNAをヘッドに組み入れるが、回転方向を変えると、ヘッドからDNAを引き出すと思う。であれば、ファージが細菌の細胞膜に付着して回転機構を細胞膜に埋め込んだとき、細胞内のATPにより回転させると考えられる。
引用：{Structure and function of bacteriophage T4} https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4275845/
DNA-packaging mechanism
Genomic DNA is prepared for packaging when the gp17/gp16 complex cleaves the concatenated DNA and associates the cleaved end with an empty head [89,90]. The terminase-DNA complex is then attached to the platform created by the protruding end of the dodecameric12量体 portal protein gp20 at the unique vertex of the prohead, where a pentameric packaging motor is being assembled. The gp16 initiates the DNA translocation by stimulating the ATPase activity of gp17 before releasing itself from the packaging complex [87]. The capsid expands during the DNA packaging. The expansion causes rotation (and probably partial refolding) of the gp23* subunits. The distance between centers of neighboring gp23* capsomers increases from approximately 117 A in the prohead to approximately 140 A in the mature capsid [15-16,91-95]. The expansion results in approximately 50% increase of the capsid volume [96]. The irreversible expansion stabilizes the capsid and creates binding sites for Soc and Hoc [40,97]. Various mechanisms have been proposed for the DNA-packaging process. A mechanism involving rotation of the portal complex was first proposed by Hendrix in 1978 [98], but found to be unacceptable because the motor continued to operate even after attachment of the gp20 monomers to the static shell of the capsid through Hoc [99]. Sun et al. [73] proposed a mechanism that depended on structural knowledge and electrostatic attraction or repulsion (Figure 6). They found two alternative conformational states of the gp17 subunit, identified as ‘relaxed’ and ‘tensed’. In the tensed state, the N- and C-terminal domains of gp17 are bound together by means of a series of salt bridges as seen in the crystal structure of the complete gp17 molecule. In the relaxed state, the N- and C-terminal domains are separated and the flexible linker is in an extended conformation as observed by cryoEM of proheads complexed with gp17. DNA packaging occurs when the relaxed state becomes tensed, thereby electrostatically attracting the C-terminal domain toward the N-terminal domain that is bound to the prohead. The DNA, bound to the C-terminal domain of gp17, is pushed two bases further into the head, which puts the next two bases into register with the neighboring gp17 molecule related by the fivefold symmetry, consistent with the symmetry of the DNA structure and the observation that there are five gp17 molecules bound to the prohead (Figure 5).