Im Gegensatz zum lytischen Zyklus töten Phagen, die Bakterien durch den lysogenen Zyklus infizieren, die Wirtszellen nicht sofort ab. Stattdessen vereinen sie ihr Genom mit dem Wirtsgenom, so dass die Bakterien die Phagen-DNA zusammen mit dem bakteriellen Genom replizieren. Die eingebaute Kopie des Phagengenoms wird als Prophage bezeichnet. Einige Prophagen können sich reaktivieren und in den lytischen Zyklus eintreten. Dies geschieht oft als Reaktion auf eine Störung, wie z.B. eine DNA-Schädigung. Dieser Prozess kann aber auch in Abwesenheit von externen Signalen auftreten.

Die lysogene Konversion

In einigen Fällen verändern die von den Prophagen kodierten Gene den Phänotyp des infizierten Bakteriums. Dieser Prozess wird als lysogene Konversion bezeichnet. Einige Phagen kodieren Proteine oder Toxine, die Virulenzfaktoren, welche die bakterielle Infektion erleichtern. Durch die lysogene Konversion können normalerweise nicht-pathogene Bakterien durch die Infektion mit Phagen, welche Virulenzfaktoren tragen, hoch virulent werden.

Beispielsweise sind solche Phagen weitgehend für die Pathogenität der Bakterienarten verantwortlich, die Botulismus (Clostridium botulinum), Diphtherie (Corynebacterium diphtheriae) und Cholera (Vibrio cholerae) verursachen. Ohne lysogene Umsetzung verursachen diese Bakterien in der Regel keine Krankheiten.

Ein besonders gut untersuchtes Beispiel für die lysogene Konversion ist das des Escherichia coli Stammes O157:H7. Mehrere große Lebensmittelrückrufe sind auf die Kontamination mit E. coli O157:H7 zurückzuführen. Dieser E. coli Stamm wurde mit Phagen infiziert, die das Shiga-ähnliche Toxin (Stx) kodieren, welches Darmblutungen und Nierenversagen verursachen kann. Im lysogenen Zyklus wird Stx nicht produziert, und die Bakterien verursachen keine Krankheiten. Damit Stx produziert werden kann, muss der Phage wieder in den Lysezyklus eintreten. Leider können bestimmte Antibiotika die Induktion der Prophage und damit die Produktion von Stx auslösen, was die Behandlung dieser Infektionen erschwert. In der aktuellen Forschung werden neuartige Therapien untersucht, die die Aktivierung der Prophagen verhindern.