ファージ（バクテリオファージ）とは｜定義・構造・生態・医療応用

ファージ（バクテリオファージ）とは、細菌に感染するウイルスのことです。一般的にはファージと略されます。ファージは細菌に特異的に結合し、自らの遺伝情報を宿主細胞に導入して増殖する点で、真核生物に感染するウイルスと区別されます。

バクテリオファージは、生物圏で最も一般的で多様な存在の一つです。真核生物（植物、動物、真菌）に感染するウイルスと同様に、ファージにも様々な構造と機能があり、それぞれが異なる細菌群を標的とします。

構造とゲノム

ファージは典型的には、内部に遺伝物質を収める外側のタンパク質外皮（カプシド）を持ち、種によっては尾部（テイル）や尾繊維を備えています。遺伝物質は一本鎖（ssRNAまたはssDNA）または二本鎖（dsRNAまたはdsDNA）で、長さは約5〜500キロ塩基対で、円形または直線状に存在します。外形やサイズは多様で、一般にファージのサイズは20〜200ナノメートルである。

ゲノムは、4個程度の遺伝子しか持たない小型のものから、数百個の遺伝子を持つ大型のものまであります。ファージはそのゲノムを宿主細菌に注入し、細菌の代謝系を利用して複製および子孫ファージの組み立てを行います（複製する。）。

生活環（ライティックとライソジェニック）

ファージの感染様式には主に二種類があります。ライティックサイクルでは感染後すぐに増殖・細胞溶解を起こして多数の新しいファージを放出します。一方、ライソジェニック（溶原化）サイクルでは、ファージのゲノムが細菌染色体に組み込まれて宿主と共存し、条件が揃うとライティックに移行することがあります。これらの様式は感染の結果や進行に大きく影響します。

生態と分布

ファージは、土壌や動物の腸など、細菌が存在する場所にはほぼどこでも見られます。特に海洋環境では非常に豊富で、表層の微生物マットでは1mlあたり最大9×^108個のウイルスが発見されており、海洋細菌の約70％がファージに感染している可能性が示唆されています。ファージは微生物群集の構造や物質循環（例：炭素循環、栄養塩循環）に重要な影響を与えます。

歴史と研究の経緯

ファージの概念は20世紀初頭に発見され、例えばフェリックス・デルレーユらによる早期の観察・応用が知られています。旧ソ連や中央ヨーロッパ、フランスでは、抗生物質の代替として90年以上にわたり実用的に利用されてきました。ファージの微細構造が明らかになったのは電子顕微鏡の普及以降で、1939年にヘルムート・ルスカが最初期にファージを電子顕微鏡で観察した例が記録されています。

医療・応用と課題

ファージは、抗生物質耐性を持つ細菌に対する代替治療として注目されています。個別の細菌種に高い選択性で作用するため、腸内常在菌を大きく乱さずに病原菌を除去できる利点があります。また、ファージ由来の酵素（リシンなど）やファージディスプレイ技術は、抗菌剤開発や診断、バイオテクノロジーでの利用が進んでいます。

一方で、ファージには複雑な影響もあります。特定のファージは、肺炎や嚢胞性線維症に関連するバイオフィルムを複雑にするものがあります—これにより細菌が薬剤から保護され、感染が長引く場合があります。また、溶原化ファージは宿主細菌に新しい遺伝子（毒性因子や抗性遺伝子）を導入することがあり、これが病原性や薬剤耐性を拡大する原因になることもあります。

臨床応用に向けては、ファージの特異的ホスト範囲、投与時の免疫応答、細菌のファージ耐性の出現、製剤・品質管理、規制承認など解決すべき課題が複数あります。近年は個別化されたファージ療法やファージと抗生物質の併用療法、ファージリシンを用いた局所治療などが研究・臨床試験段階にあり、有望な結果が報告されつつあります。

応用例（代表的なもの）

ファージ療法：難治性感染症への直接投与（局所投与や点滴など）
バイオコントロール：食品や動物飼育場での病原性細菌の抑制
診断：ファージ特異性を利用した迅速検出法
バイオテクノロジー：ファージディスプレイによる抗体やリガンドのスクリーニング
環境浄化：微生物群集を標的とした生態系管理

展望

ファージ研究は基礎生物学から実用的応用まで幅広く進展しています。今後はゲノム編集技術や合成生物学と組み合わせた改変ファージの開発、標準化された製剤法や安全性評価の確立、国際的な規制枠組みの整備が進めば、より広範な臨床・工業利用が期待されます。ただし、潜在的リスクへの慎重な評価と公衆衛生上の監視は引き続き重要です。

細菌に付着したファージ

典型的なマイオウイルスバクテリオファージの構造

質問と回答

Q:バクテリオファージとは何ですか?

A:バクテリオファージは、一般にファージと略され、細菌に感染するウイルスの一種です。

Q:ファージの先端はどのような形をしていますか?

A:ファージの表面はサイコロのような形をしていて、20の側面と30の辺があります。その中にDNAという遺伝情報が入っています。このサイコロのような形は、しばしば脚のような繊維を持つ尾の上に乗っています。

Q:バクテリオファージの大きさはどの程度ですか?

A:バクテリオファージの大きさは、通常20〜200ナノメートルです。

Q:ファージのゲノムには、いくつの遺伝子がコードされていますか?

A:ファージゲノムは、わずか4個の遺伝子から数百個の遺伝子までコードしている可能性があります。

Q:ファージはどのようにして細菌内で複製するのですか?

A:ファージは細菌に付着すると、その中にゲノムを注入し、細菌の一部を使って細菌内で複製を行います。ファージがたくさんいると、ファージは細菌の中に酵素を入れ、外側の細胞壁を弱め、それを破って新しい細菌に感染することができるようになります。

Q:ファージはどこで見つけることができるのですか?

A: ファージは土壌や動物の腸など、細菌のいるところならどこにでも存在します。また、海水でも非常に一般的で、1mlあたり9x108個のウイルスが表面レベルで発見されており、海洋細菌の70％がファージに感染していると考えられています。

Q:これらのウイルスが何からできているのか、最初に発見されたのはいつですか?

A:1939年にヘルムート・ルスカが電子顕微鏡で観察して初めて、その正体が明らかになったのです。