文 / 陈锦英
细菌与其他生物一样，具有遗传性和变异性。细菌的子代与亲代生物学性状表现相同称为遗传（heredity）；而子代和亲代生物学性状表现差异称为变异（variation）。遗传使细菌的种属性状相对稳定，变异使细菌产生变种和新种，促进了细菌的进化。细菌的变异有基因型变异（genotypic variation）和表型变异（phenotypic variation）。前者是细菌遗传物质的结构发生改变，可遗传给子代；后者是由于外界环境的作用引起的变异，其遗传物质的结构未改变，故不能遗传。随着对细菌遗传变异本质认识的不断深入，将大大推动细菌致病机理、耐药机制、细菌感染的快速诊断及其防治新思路的研究。因此，了解细菌的遗传与变异具有十分重要的理论意义和实用价值。
第一节 与细菌遗传相关的物质
细菌的遗传物质是基因的载体，携带各种遗传信息。与细菌遗传相关的物质包括染色体和染色体外的其他遗传物质（质粒、噬菌体、转座子）。
细菌染色体 细菌染色体（chromosome）是一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋而成的松散网状结构，附着在横隔中介体或细胞膜上。绝大部分遗传信息由细菌染色体携带，决定细菌的基因型。大肠埃希菌染色体DNA长约1000μm～1300μm，分子量为3×109道尔顿，序列分析证实为4639kb，约含3000～5000个基因，编码2000多种酶和其他结构蛋白。大肠埃希菌染色体DNA的复制是双向复制，从复制起点开始按顺时针和逆时针两个方向进行，全过程约需20分钟。
细菌染色体与真核细胞染色体不同，除了rRNA基因是多拷贝外，绝大多数基因保持单拷贝形式，很少有重复序列。细菌只有连续的基因结构，一般无内含子，转录后形成的RNA分子不必加工剪切。
自1995年完成流感嗜血杆菌的全基因组DNA序列分析以来，已经完成基因组测序的细菌有23种，其中13种为病原菌。全基因组序列分析的资料表明细菌的种内和种间存在着广泛的遗传交换，如耐药性基因和致病岛的获得。细菌致病岛（pathogenicity island）是指病原菌染色体上编码许多毒力相关基因的分子量较大（通常为20kb～100kb）的外源DNA片段，其两侧往往含有重复序列或插入序列。致病岛DNA片段的G+C百分比和密码使用与宿主菌染色体有明显差异。例如引起婴幼儿腹泻的肠致病型大肠埃希菌（enteropathogenic E. coli，EPEC）的染色体与大肠埃希菌模式菌株相比，在82min处具有一个35kb的LEE致病岛（locus of enterocyte effacement），与该菌对肠道上皮细胞所产生的AE损伤（attaching and effacing）有关。这个致病岛在肠出血型大肠埃希菌（enterohemorrhagic E. coli，EHEC）中也存在。随着基因结构与功能研究的进展，将会深入了解细菌致病机理的本质和进化关系。
质粒 质粒（plasmid）是细菌染色体外的遗传物质，存在于细胞质中，具有自主复制的能力，是闭和环状的双链DNA分子。质粒不是细菌生长繁殖所必需的物质，可自行丢失或经人工处理而消除。质粒携带的遗传信息能赋予宿主菌某些生物学性状，有利于细菌在特定的环境下生存。
质粒的分类：
1．根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递，将其分为接合性质粒（conjugative plasmid）和非接合性质粒（nonconjugative plasmid）两大类。接合性质粒带有与接合传递有关的基因（tra基因等），一般来讲分子量较大，为40kb～100kb，如F质粒、R质粒。非接合性质粒分子量较小，一般在15kb以下，但也有例外，如志贺菌的毒力质粒分子量220kb。非接合性质粒在一定条件下通过与其共存的接合性质粒的诱动（mobilization）或转导而传递。
2．根据质粒的不相容性进行分类，常用于流行病学调查。不相容性（incompatibility）指结构相似、密切相关的质粒不能稳定地共存于同一个宿主菌内的现象，反之为相容性。例如肠杆菌科的细菌质粒可分为30余个不相容组。
3．根据质粒基因编码的生物学性状进行分类，例如编码细菌性菌毛的F质粒；携带耐药性基因，使细菌产生抗菌药物耐药性的R质粒；编码大肠埃希菌细菌素的Col质粒；与细菌毒力有关的Vi质粒等。
噬菌体 噬菌体（bacteriophage或phage）是侵袭细菌的病毒，也是赋予宿主菌生物学性状的遗传物质。噬菌体的体积微小，需用电子显微镜观察。噬菌体由核酸和蛋白质组成，必须在活菌内寄生，有严格的宿主特异性。噬菌体形态有蝌蚪形、微球形和细杆形。大多数噬菌体呈蝌蚪形，有头部和尾部之分。头部是由蛋白质外壳包绕核酸组成，呈六边形立体对称。尾部由蛋白质组成，有尾领、尾鞘和尾髓之分，尾部末端有尾板、尾刺和尾丝，与吸附宿主有关（图3-1）。
图3-1 蝌蚪形噬菌体结构模式图
噬菌体感染细菌有两种结果，一是噬菌体增殖，细菌被裂解，建立溶菌性周期，这类噬菌体称为毒性噬菌体（virulent phage）；二是噬菌体核酸与细菌染色体整合，成为前噬菌体（prophage），细菌变成溶原性细菌（lysogenic bacteria），建立溶原性周期，这类噬菌体称为温和噬菌体（temperate phage）。
1．溶菌性周期 指毒性噬菌体在宿主菌内的增殖过程，包括3个阶段，即吸附穿入、生物合成、成熟释放。噬菌体感染细菌时，其尾丝为吸附器官，能识别宿主菌表面的特殊受体，然后分泌酶类溶解细胞壁，使细胞壁出现小孔，尾髓再收缩，将头部的核酸注入宿主菌内，蛋白质外壳留在菌细胞外。继而，进入细菌内的噬菌体核酸首先经早期转录产生早期蛋白质（核酸复制所必需的酶类），并复制子代核酸，再进行晚期转录产生噬菌体的结构蛋白（头部外壳和尾部）。蛋白质与核酸分别合成后，按一定程序装配，成熟为完整的子代噬菌体。子代噬菌体达到一定数量时，由于噬菌体合成酶类的溶解作用，菌细胞突然裂解，释放出的噬菌体再感染其他敏感细菌。
2．溶原性周期 温和噬菌体感染细菌后不增殖，其核酸整合到细菌染色体上，即前噬菌体，随细菌染色体的复制而复制，并随细菌分裂而分配至子代细菌的染色体中。带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌。温和噬菌体又称为溶原性噬菌体（lysogenic phage），它可偶尔自发地或在某些理化或生物因素的诱导下，整合的前噬菌体脱离宿主菌染色体，进入溶菌性周期导致细菌裂解，并产生新的成熟噬菌体。可见温和噬菌体可有溶原性周期和溶菌性周期，而毒性噬菌体只有一个溶菌性周期（图3-2）。
图3-2 噬菌体的溶原性周期和溶菌性周期
有些前噬菌体可使溶原性细菌的表型发生改变，称为溶原性转换（lysogenic conversion）。白喉棒状杆菌产生白喉毒素、肉毒梭菌产生肉毒毒素、化脓性链球菌产生红疹毒素都与溶原性转换有关，这些毒素基因都是前噬菌体。沙门菌、志贺菌等抗原结构和血清型别也受溶原性噬菌体的控制，若失去前噬菌体则有关性状亦发生改变。
转座子 转座子（transposon，Tn）是一类在细菌的染色体、质粒或噬菌体之间自行移动的遗传成分。伴随着转座子移动的过程中，会出现插入突变。转座子包括插入序列和复合转座子。
插入序列（insertion sequence，IS）是较短的转座子，约750bp～2000bp DNA，仅仅携带编码自身转座所需酶的基因。IS存在于多种细菌的染色体或质粒中，也介导高频重组菌株（high-frequency recombinant，Hfr）的形成。
图3-3 复合转座子模式图
复合转座子（complex transposon）除携带转座所需要的基因外，还带有其他特化功能的基因，如耐药性基因、重金属抗性基因、糖发酵基因或肠毒素基因等，其两端为插入序列，但不含有自身复制所需要的遗传信息（图3-3）。转座子携带的耐药性基因在细菌的染色体和质粒之间或质粒和质粒之间转移，导致耐药性基因的播散，是自然界中细菌耐药性产生的重要原因之一。
转座子的移动或插入方式称为转座或转位作用，插入位点的序列特异性一般较低，常常是以随意的方式插入。转座作用有两种不同的类型，保留型转座（conservative transposition）和复制型转座（replicative transposition）。当发生保留型转座作用时，转座子从原来位点上删除下来以后，再转移插入到另一个位点中去。当发生复制型转座作用时，转座子的一个拷贝插入到靶位点，而另一个拷贝则仍然保留在供体原来的位置上。一般来说，转座子的转座作用或是保留型的，或是复制型的，只有少数的转座子的转座作用是两种类型兼有。
第二节 细菌的变异现象
形态结构变异 细菌的形态、大小及结构受外界环境条件的影响可发生变异。细菌在β-内酰胺类抗生素、抗体、补体和溶菌酶等因素影响下，细胞壁合成受阻，失去细胞壁变成L型细菌。有些细菌变异后可失去特殊结构。有鞭毛的伤寒沙门菌变异后可失去鞭毛，称为H-O变异。由于鞭毛的动力使细菌在固体培养基上呈弥散生长，菌落似薄膜（德语hauch，意为薄膜），称H菌落。失去鞭毛的细菌呈单个菌落生长，称为O菌落（德语ohne hauch，意为无薄膜）。变异的肺炎链球菌失去荚膜，同时毒力也降低。
抗原性变异 肠道杆菌的鞭毛抗原、菌毛抗原常发生变异。沙门菌属的H抗原可发生相变异，如由Ⅰ相变成Ⅱ相，或由Ⅱ相变成Ⅰ相。
菌落变异 肠道杆菌的菌落变异较为常见。由光滑型（smooth，S型）变为粗糙型（rough，R型），称为S-R变异。这种变异是因为失去LPS的特异性寡糖重复单位引起的，往往伴有其他性状的改变，如毒力、抗原性和生化反应等。
毒力变异 细菌的毒力变异包括毒力的增强和减弱。白喉棒状杆菌感染β-棒状杆菌噬菌体后变成溶原性细菌，获得产生白喉毒素的能力，由无毒株变成有毒株。卡-介（Calmette-Güérin）二氏将有毒力的牛型结核分枝杆菌在含胆汁、甘油和马铃薯的培养基上经13年传230代，获得毒力减弱而保留免疫原性的变异株，即卡介苗（Bacillus of Calmette- Güérin，BCG），用于结核病的预防。
耐药性变异 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药，而成为耐药菌株。有的细菌表现为同时对多种抗菌药物耐药，称为多重耐药菌株。自抗生素广泛应用以来，细菌对抗菌药物的耐药性不断增长而成为世界关注的问题。还有的细菌变异后产生对药物的依赖性，如痢疾志贺菌链霉素依赖减毒株（SmD株），可用于痢疾的预防。
第三节 细菌变异的机理
细菌表现的性状称为表型，由基因组和环境决定。表型变异是环境因素影响细菌基因表达的变化，并非基因结构发生改变，例如大肠埃希菌乳糖操纵子的表达。基因型变异是细菌基因结构发生变化，包括突变及基因转移和重组。
一、突变
细菌以无性二分裂方式进行繁殖，理论上讲DNA复制过程十分精确，子代与亲代的基因组应是完全相同的。但在少数情况下，子代细胞会出现可以通过复制而遗传的DNA结构的改变，称为突变（mutation）。这一现象是在自然条件下发生的，称为自发突变。自发突变率约为每一世代10-10～10-6。没有发生突变的细菌称为野生株，其表型称为野生型。携带突变的细菌称为突变株。
突变的类型 从DNA序列改变多少可将突变分为点突变和多点突变，前者只有一个碱基对的变化，后者有两个以上碱基对的变化。点突变可以是碱基置换、碱基插入或碱基缺失。点突变往往是指碱基置换，包括转换和颠换，前者是嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化，后者是嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。碱基的插入或缺失影响三联体密码的阅读框架，引起移码突变。多点突变时往往涉及广泛的染色体重排、倒位、重复或缺失（图3-4）。
图3-4 突变类型的示意图
A～G、X代表不同的DNA片段
细菌群体中能够存活下来的一些突变株，可以被特定的环境条件所选择。进入病人体内的少量细菌经过生长繁殖也会自发地产生各种突变菌株，这些突变可以赋予细菌耐药性、增强细菌毒力或抗原性的改变，从而提高了细菌在病人体内的生存能力，致使突变菌株迅速过度生长而被选择出来成为优势型。
回复突变和抑制突变 细菌由野生型变为突变型是正向突变。突变株经过第二次突变可以恢复野生型的性状，这种第二次突变称为回复突变（reverse mutation）。真正的原位回复突变恢复到野生型的DNA序列的几率很少，大多数是第二次点突变使得野生型得以恢复或部分恢复。这种第二次点突变并没有改变正向突变的DNA序列，只是其突变效应被抑制的回复突变称为抑制突变（suppressor mutation）。回复突变可以自发地发生，其频率一般是正向突变的十分之一，也可以用诱变剂处理增加其频率。
二、基因转移和重组
细菌的进化需要不断产生基因型变异，变化的根本原因是突变，但对每一个细菌来讲突变发生的几率还是很少的，如果细菌只有突变而没有细菌之间的基因转移，则难以迅速产生适应环境需要的基因组合。因此，细菌之间的DNA转移（transfer）与重组（recombination）可以在短期内产生不同基因型的个体，适应环境条件，接受自然界的选择，这是形成细菌遗传多样性的重要原因。供体菌（donor）DNA转移给受体菌（recipient）的过程称为基因转移或基因交换。遗传重组（genetic recombination）是指进入受体菌的外源DNA能够复制，导致其基因型发生改变成为重组体或重组菌（recombinant bacteria）。细菌基因转移和重组的方式有转化、接合、转导、溶原性转换和原生质体融合。
转化 受体菌直接摄取供体菌DNA，从而获得新的遗传性状的过程称为转化（transformation）。
1928年Griffith在研究肺炎链球菌时，首先发现细菌转化的现象。将有荚膜、毒力强、菌落呈光滑型（S）的Ⅲ型肺炎链球菌注射至小鼠体内，小鼠死亡，从死鼠心血中分离出Ⅲ型光滑型肺炎链球菌；将无荚膜、毒力减弱、菌落呈粗糙型（R）的Ⅱ型肺炎链球菌或经加热杀死的Ⅲ型光滑型肺炎链球菌分别注射小鼠，小鼠不死。但若将加热杀死的Ⅲ型光滑型有荚膜的肺炎链球菌和活的Ⅱ型粗糙型无荚膜的肺炎链球菌混合注射至小鼠体内，则小鼠死亡，并从死鼠心血中分离到Ⅲ型光滑型肺炎链球菌。1944年Avery等人用Ⅲ型光滑型肺炎链球菌的DNA代替加热杀死的Ⅲ型光滑型肺炎链球菌重复上述试验，得到相同的结果，证实引起Ⅱ型粗糙型肺炎链球菌转化的物质是Ⅲ型光滑型肺炎链球菌的DNA（图3-5）。
在这种天然转化体系中，细菌进入感受态（competence）的特殊生理状态时才能捕获外源DNA。处于感受态的细菌，某种蛋白质与核酸结合形成可以抗御核酸酶作用的复合物。感受态状态可以经人工处理形成，例如将正在生长的大肠埃希菌在0℃下加入到低渗的氯化钙溶液中，菌细胞会膨胀形成原生质球，同加入的转化DNA形成一种粘着在菌细胞表面的而对Dnase有抗性的复合物。转移在42℃下作短暂的热刺激期间，这种复合物便会被细菌所吸收。在富集培养基中生长一段时间使转化基因实现表达之后，再涂布于选择培养基中分离转化子。这种转化程序稍加修改已被成功地应用于正常情况下不能吸收外源DNA的其它细菌体系。在转化过程中加入Mg2+，对于维持DNA的稳定性也起到重要的作用。
对于一般转化方法不能成功的细菌，用电转化或称电穿孔技术（electroporation）可使转化频率提高10～100倍。
图3-5 肺炎链球菌的转化试验
接合 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将质粒或染色体的DNA从供体菌转移给受体菌的过程称为接合（conjugation）。
已发现的许多质粒接合传递系统中，F质粒研究得最为详细。在大肠埃希菌内，F质粒有三种不同的存在方式。F质粒以染色体外质粒DNA形式存在，这种细菌叫做雄性菌（F+ ），其表面有F质粒编码的性菌毛，接合时做供体菌。无F质粒的为雌性菌（F-），接合时做受体菌。在合适的条件下，将F+ 与F-细菌混合培养，由于性菌毛的作用，就会形成F+ -F-配接对。F质粒DNA的传递是从转移起点oriT开始的，首先在oriT位点做单链切割，随后缺口链在其游离的5'端的引导下转移到受体菌，并作为模板合成互补链，形成新的质粒分子。在供体菌内，也会发生质粒DNA按滚环复制模式合成互补链以取代已转移走的缺口单链。接合过程结束，两个菌细胞内各形成一个双链F质粒，F-变成F+ ，也长出性菌毛（图3-6）。F质粒还可以整合到细菌的染色体上，有可能引发宿主染色体发生高频率转移，故称为高频重组菌株（Hfr）。Hfr与F-接合时，F质粒的起始转移位点的一股DNA链断开，引导染色体DNA通过性菌毛接合桥进入F-菌细胞，F质粒的其他部分最后进入受体菌，整个过程约需100分钟。由于细菌间的接合桥并不稳定，接合作用可随时自发解离或受外界因素影响而中断，故在Hfr菌接合转移中，可以有不同长度的供体染色体片段进入受体菌进行重组。但受体菌获得完整F质粒DNA的机会很小，因其大部分是最后进入受体菌，故受体菌往往仍然是F-。应用间断配接（interrupted mating）试验，根据各基因进入受体菌的时间，绘制大肠埃希菌染色体的基因排序图。F质粒在Hfr菌中的整合作用是一种可逆过程，有时也会脱离下来。从染色体上脱离下来的F质粒还会携带相邻的染色体基因或DNA片段，称为F'质粒。
图3-6 F质粒接合转移模式图
1959年日本学者将具有多重耐药性的大肠埃希菌与敏感的志贺菌混合培养，发现多重耐药性可由大肠埃希菌传递给志贺菌，首次证明了R质粒的接合传递。此后，在世界各地报道了耐药性质粒的普遍存在和广泛传播。耐药性质粒的结构以R100研究得较为详细。R100质粒由两部分组成，一是耐药性传递因子（resistance transfer factor，RTF），能编码性菌毛，使其以接合方式传递；另一是耐药决定子（resistance determinant），赋予宿主菌耐药性，一个耐药决定子可携带多个耐药基因（图3-7）。因此，携带耐药性质粒的细菌可同时对多种抗菌药物耐药，即多重耐药性（multiple drug resistance，MDR）。接合性耐药性质粒（R质粒）通过接合方式可以在同一种属细菌间或不同菌属间进行传递，这在革兰阴性菌中更为突出，使细菌耐药性迅速播散，耐药菌株不断增加。
非接合性质粒分子量较小，不足以编码转移体系所需要的基因，因而不能自我接合传递。但如果在同一宿主细胞内存在接合性质粒（如F质粒或R质粒），它们可以被诱动传递。例如大肠菌素质粒ColE1从供体菌被诱动传递给受体菌的过程，需要质粒自己编码的两种基因参与。一个是位于ColE1 DNA上的特异位点bom（有时也称nic位点）；另一个是ColE1质粒产生的可以弥散的基因产物，即mob基因编码的核酸酶。当相容性的两个质粒F和ColE1共存于同一菌细胞时，ColE1质粒的mob基因进行转录，其产物使bom位点发生单链断裂而出现缺口，于是ColE1的构型由超螺旋型转变为缺口开环型。F质粒编码性菌毛，为ColE1提供它所缺乏的接合功能（图3-8）。
图3-7 R100质粒结构模式图
图3-8 非接合性质粒被诱动传递示意图
转导（transduction） 转导是以噬菌体为媒介，将供体菌DNA片段转移到受体菌内，使受体菌获得新的遗传性状。根据转导DNA片段的范围，可分为普遍性转导和局限性转导。
1．普遍性转导（generalized transduction） 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，装配成新的子代噬菌体时，大约每105～107装配中发生一次错误，将供体菌DNA误装入噬菌体头部，当它感染受体菌时，则将供体菌DNA带入受体菌内。因供体菌染色体或质粒的任何DNA片段都有可能被转导，故称为普遍性转导。
转导过程包含着基因转移和重组。供体菌的DNA片段必须在受体菌内重组，与其一起复制成为稳定的转导子，称为完全转导。如果供体DNA片段不能重组，其本身不具有独立复制功能，随细胞分裂，供体DNA片段只能沿着单个细胞传递下去，称为流产转导（图3-9）。
图3-9 普遍性转导模式图
2．局限性转导（restricted transduction） 局限性转导是前噬菌体从宿主菌染色体切离时发生偏差，将前噬菌体两旁的基因转移到受体菌，使后者的遗传性状发生改变的过程。例如，温和噬菌体λ感染大肠埃希菌，整合于染色体上半乳糖操纵子（gal）和生物素操纵子（bio）之间。但切离时可能发生偏差，其几率为10-6，与细菌染色体进行部分交换，形成带有 gal或bio的缺陷噬菌体。这种缺陷噬菌体感染受体菌时可将供体菌染色体DNA带入受体菌（图3-10）。
转导在革兰阳性菌和革兰阴性菌中均可发生，由于噬菌体有宿主特异性，转导现象仅发生在同种细菌内。普遍性转导是金黄色葡萄球菌中耐药性传递的主要方式。
图3-10 局限性转导模式图
溶原性转换（lysogenic conversion） 溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的遗传性状称为溶原性转换。溶原性转换可使某些细菌发生毒力变异或抗原性变异。例如，不产生毒素的白喉棒状杆菌被β-棒状杆菌噬菌体感染成为溶原性细菌时，由于该噬菌体携带编码白喉毒素的结构基因tox，宿主菌便可产生白喉毒素。此外，A群链球菌的红疹毒素、金黄色葡萄球菌的?溶血素和肠毒素A、肉毒梭菌的C型和D型毒素等都是溶原性转换。表面抗原结构的溶原性转换在沙门菌属和志贺菌属中发现较多。
原生质体融合（protoplast fusion） 是分别将两种细菌经处理失去细胞壁悬于高渗培养基中保持原生质体状态，然后将两种细菌的原生质体混合，滴加聚乙二醇促使原生质体融合。融合后的双倍体细胞可以短期生存，在此期间染色体之间可以发生基因的交换和重组，获得多种不同表型的重组融合体。融合体经培养重新形成细胞壁，再按其遗传标志选择重组菌。
原生质体融合技术可以使一些原来不具备基因转移条件的细菌实现基因的转移和重组，可用于同种或异种细菌之间，是一种有价值的实验方法。
第四节 细菌遗传变异在医学上的应用
在诊断、治疗和预防方面的应用 细菌的变异可发生在形态结构、生化反应、抗原性和毒力等方面，造成性状不典型，常给细菌鉴定工作带来困难。例如，细菌失去细胞壁形成的L型细菌，用常规方法分离培养呈阴性，必须采用含血清的高渗培养基培养L型细菌。又如分解乳糖的基因转移给沙门菌，出现能够分解乳糖的伤寒沙门菌，按常规细菌鉴定容易忽视。要充分了解细菌的变异现象和规律，才能正确诊断细菌感染性疾病。
随着分子生物学技术的发展，有许多快速诊断方法用于细菌的鉴定。如聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）方法选择性体外扩增DNA片段，简便、敏感、特异性好，是利用核酸作细菌分类鉴定方法中最适用于细菌感染诊断的技术。PCR方法扩增细菌进化过程中保守、稳定、具有种特异性的片段，可用于不易培养或生长缓慢细菌的鉴定，如结核分枝杆菌、嗜肺军团菌等。
细菌的耐药性变异是临床细菌性感染面临的重要问题之一，对临床分离菌株进行耐药性监测，注意耐药谱的变化和耐药机制的研究，将有利于指导正确选择抗菌药物和防止耐药菌株的扩散。
细菌遗传变异的研究对传染病的预防也具有重要的意义。以毒力减弱而保留免疫原性的菌株制成减毒活疫苗，已成功地用于某些传染病的预防。早在人们对细菌的遗传和变异的理论尚未了解的年代，巴斯德就已将42℃高温下培养，毒力减弱的炭疽芽胞杆菌制成活疫苗用于炭疽病的预防。卡介苗（BCG）用于结核病的预防已经延续了半个多世纪。此外，布鲁菌和鼠疫耶尔森菌的减毒活疫苗均有效地用于布鲁菌感染和鼠疫的预防。
在某些局部感染时可用噬菌体作为一种辅助治疗，如铜绿假单胞菌噬菌体在烧伤创口感染的应用。但由于噬菌体的宿主菌特异性过于专一，其应用受到很大限制。
在检测致癌物质方面的应用 细菌的基因突变可由诱变剂引起。凡能诱导细菌突变的物质也可能诱发人体细胞的突变，这些物质有可能是致癌物质。Ames试验就是根据细菌的致突变试验检测致癌物质的原理设计的。采用鼠伤寒沙门菌组氨酸营养缺陷型（his-），在组氨酸缺乏的培养基上不能生长。但如发生回复突变成为his+，则能够生长。计数培养基上的菌落数，比较有待检物诱导的试验平板与无诱导物诱导的对照平板，凡能提高突变率，诱导菌落生长较多者，即有致癌的可能性。
在流行病学方面的应用 将分子生物学的分析方法应用于流行病学调查，追踪基因水平的转移与播散，有其独特的优点。例如，指纹图谱法（fingerprinting），将不同来源细菌所携带的质粒DNA、毒力基因或耐药性基因等，经同一种限制性内切酶切割后进行琼脂糖凝胶电泳，比较所产生片段的数目和大小是否相同或相近，确定某一感染爆发流行菌株或相关基因的来源，或调查医院内耐药性质粒在不同细菌中的播散情况。
在细菌感染的流行病学调查中，也利用噬菌体分型的方法追踪其来源。
在基因工程方面的应用 基因工程是70年代以来在分子遗传学基础上发展起来的一门生物技术。它包括从复杂的生物体基因组中分离出带有目的基因的DNA片段；将其连接到能够自我复制的质粒、噬菌体或其他载体分子上，形成重组DNA分子；然后将重组DNA分子转移到受体菌（或其他宿主细胞）并进行筛选；使之实现功能表达，产生人类所需要的物质。这种技术意义相当重大，解决了一些天然合成或分离纯化十分困难且成本昂贵药物的生产，而在大肠埃希菌或其他生物体内得到有效的表达，如重组胰岛素、干扰素、生长激素等的生产。此外，还用基因工程方法生产有效的新型疫苗，如乙型肝炎病毒表面抗原疫苗，为传染病的预防开辟新途径。