細菌が粘液を操る？鼻水が感染を促進するメカニズムが研究で明らかに

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細菌が粘液を操る？鼻水が感染を促進するメカニズムが研究で明らかに

Bacteria's mucus maneuvers: Study reveals how snot facilitates infection

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2023年12月 5日
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生物学 細胞・微生物学
生物学 分子・計算生物学
編集者ノート
細菌が粘液を操る： 鼻水が感染を促進するメカニズムが研究で明らかに
アドリアン・ベラード（ペンシルバニア州立大学

細菌の粘液操作： 鼻水が感染を促進するメカニズムが研究で明らかに
左側は、モデル細菌が高分子ストレスを受けている状態、つまり粘液が厚くなっている状態の計算モデリング結果。右側は高分子ストレスを受けていない。出典：Igor Aronson

ペンシルベニア州立大学の研究者らの新しい研究によると、鼻水、鼻づまり、鼻をかむことは風邪やインフルエンザの季節の特徴である。研究チームは、粘液が濃ければ濃いほど、細菌が群がりやすくなることを発見した。この発見は、細菌の拡散能力を低下させる治療法にも影響を与える可能性がある。

この研究は、学術誌『PNAS Nexus』に最近掲載されたもので、バクテリアが粘液を利用して自己組織化能力を高め、感染症を引き起こす可能性を示している。合成のブタ胃粘液、天然のウシ子宮頸管粘液、ポリビドンと呼ばれる水溶性高分子化合物を用いて行われた実験から、バクテリアは水性物質よりも濃厚な粘液の中でよりよく動きを調整することが明らかになった。

この研究結果は、細菌が粘液や粘膜表面にどのようにコロニー形成するのかについての洞察を与えるものである、と研究者たちは述べている。また、この発見は、粘液が細菌の集団運動（スワミング）を促進することを示しており、細菌コロニーの抗生物質耐性を高める可能性がある。

「ペンシルベニア州立大学のハック・チェアー教授（生体医工学、化学、数学）は、論文の筆頭著者である。「粘液は同じような粘性の液体とは異なり、集団行動を促進することを示しました。

粘液中で泳ぐ個々のバクテリアのリアルタイム動画。クレジット：Igor Aronson

粘液は多くの生物学的機能に不可欠であるとアロンソンは説明する。細胞や組織の表面を覆い、細菌、真菌、ウイルスなどの病原体から守っている。しかし、性感染症や胃腸病など、バクテリアによる感染症の宿主物質でもある。アロンソン博士によれば、粘液中にバクテリアがどのように群がるかをよりよく理解することで、感染症や増え続ける抗生物質耐性の問題と闘う新たな戦略への道が開ける可能性があるという。

「我々の発見は、粘液の一貫性が、個々の細菌のランダムな運動にどのように影響し、大きな細菌群の協調的な集団運動への移行にどのように影響するかを示しています。「細菌の集団運動や群れが、抗生物質の効果をかわす細菌コロニーの能力を高めることを実証した研究があります。私たちの研究で研究された集団行動の発現は、群れに直接関係しています」。

粘液は、液体のような性質と固体のような性質の両方を示すため、研究するのが難しい物質として知られている、とアロンソンは説明した。液体は通常、粘度（液体の厚さや薄さ）によって説明され、固体は弾性（壊れるまでにどれだけの力を受けることができるか）によって説明される。粘弾性流体である粘液は、液体としても固体としても振る舞う。

粘液がどのように感染していくのかをよりよく理解するために、研究チームは顕微鏡イメージング技術を使って、合成ブタの胃粘液と天然の牛の子宮頸管粘液に濃縮された枯草菌の集団運動を観察した。その結果を、水溶性ポリマーであるポリビドンの高濃度から低濃度までの幅広い濃度における枯草菌の運動観察と比較した。研究チームはまた、粘液のような粘弾性流体中での細菌の集団運動に関する計算モデルとも実験結果を比較した。

その結果、粘液の粘性が細菌の集団行動に大きく影響することがわかった。その結果、粘液が厚ければ厚いほど、バクテリアは集団運動を示し、協調的な群れを形成する可能性が高くなることが示された。

「私たちは、粘液の粘弾性がいかに細菌の組織化を促進するかを示すことができました。"我々の結果は、粘液中の弾性と粘性のレベルが、細菌群がどのように組織化されるかの主な原動力であることを明らかにしました。"これは、粘液中の細菌の侵入をどのように制御し、防ぐことができるかについての洞察を与えてくれます。

アロンソンは、研究チームは、ヒトの粘液も同様の物理的特性を示すと予想しており、このことは、今回の研究結果がヒトの健康にも関連することを意味していると説明した。

「バクテリアの集団運動の開始と粘液との相互作用は、牛、豚、あるいはヒトの粘液と同じであるはずです。「私たちの結果は、人間や動物の健康に影響を与えるものです。私たちは、粘液の粘弾性が細菌の大規模な集団運動を促進し、細菌が粘液の保護バリアに侵入して内部組織に感染する速度を速める可能性があることを示しているのです」。

詳細はこちら： Wentian Liao et al, Viscoelasticity enhances collective motion of bacteria, PNAS Nexus (2023). DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad291

ジャーナル情報 PNASネクサス

提供：ペンシルバニア州立大学

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左側は、高分子ストレスを受けている、あるいは粘液が厚くなっているモデル細菌の計算モデリング結果。右側は高分子ストレスを受けていない。出典：Igor Aronson