サルモネラ菌は腸内でどのように増殖し、抗生物質耐性を交換するのか？
サルモネラ菌は腸内でどのように増殖し、抗生物質耐性を交換するのか？
バイオテクノロジー
研究
チューリッヒ工科大学の研究者らによると、下痢の原因となるサルモネラ菌が、近縁の菌株がすでに腸内に定着している場合、たった一つの代替食物源を利用する能力だけで繁殖する。この共存が抗生物質耐性の交換を可能にするのである。
21.08.2023 by マイケル・ケラー
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腸のイラスト。赤い腸絨毛とその手前に浮遊する細菌（水色）。
菌株特異的な食物嗜好性により、異なるサルモネラ菌株が腸内で共生する。(画像：Adobe Stock）
要するに
腸は、近縁の細菌が抗生物質耐性などの重要な情報を交換する理想的な場所である。
理論的には、同じ種の細菌は似たような栄養素を消費し、それによって互いの増殖を阻止するはずである。では、なぜ異なる菌株が共存し、DNAを交換できるのだろうか？
チューリッヒ工科大学の研究者らは、「プライベート」な栄養素を利用する菌株特異的能力が、2つの異なるサルモネラ菌株による腸内共棲を可能にし、抗生物質耐性の移行を可能にしていることを明らかにした。
細菌は一般的な抗生物質に対する耐性を増しているが、この問題の重要な要因のひとつは、近縁の細菌株間での抗生物質耐性遺伝子の交換である。これらの近縁の細菌が接近すると、抗生物質の生き残り方に関する情報を共有することができる。残念なことに、私たちの腸はこの交換が起こるのに理想的な環境を提供しているようだ。その理由は不明なままであった。
古典的な理論によれば、微生物の相互作用によって、近縁の菌株が同時に同じ場所に生息することが妨げられるため、通常はこのような交換はまったく起こらないはずである。哺乳類の腸内には何千もの細菌種が生息しており、互いに密接に相互作用しながら、腸内細菌叢という高密度のコミュニティを形成している。これらの群集は、病原性細菌に対する抵抗力など、宿主に不可欠な機能を提供している。正常で健康な腸内では、常在細菌叢は食物分子の奪い合いなど、様々な手段で腸内病原体によるコロニー形成を防いでいる。また、ニッチ排除理論によれば、すでにコロニー化している腸内では、同じ種の細菌が同じ食物分子を奪い合って増殖することは非常に困難である。
病原体腸内細菌のコロニー形成戦略
「チューリッヒ工科大学微生物学教授でNCCRマイクロバイオームのメンバーであるヴォルフ＝ディートリッヒ・ハルトのグループのポスドク、エルシン・ギュルは言う。これは研究者たちにとって不可解な問題である。同じような栄養素を必要とする近縁の細菌集団が、どのようにして腸内で共存し、さらには情報交換までできるのだろうか？これは細菌ゲノムから予測できるのだろうか？
この謎を解明するため、ハルトの研究チームは腸内細菌共存のダイナミクスを調査した。「私たちは、密接に関連した常在細菌が存在する場合に、二次的な細菌群がどのように増殖するかを理解することに焦点を当てました」と、下痢を引き起こす食品媒介感染症で知られる病原性サルモネラ菌と、それに関連した無害な大腸菌の挙動を具体的に調べた研究の筆頭著者であるギュル氏は報告する。この研究結果は、Cell Host & Microbecall_made誌の外部ページに最近掲載された。
食事が重要
研究者らは、これらの細菌が単独で増殖する場合、様々な食物資源を利用することを発見した。一方、サルモネラ菌や大腸菌は、一方の集団が他方の集団が摂取できない種類の食物分子（ここではガラクチトールやアラビノース）を利用する場合にのみ、他方の集団と共存して増殖することができる。この行動は、これらの細菌が競合を避け、占有された腸内で増殖するために用いる代謝戦略を明らかにし、それによって抗生物質の生存メカニズムなど、これらの微生物間の重要な情報の交換を可能にする。
この発見は、食事成分の重大な影響を強調するものである。適切な食物分子が存在する場合にのみ、病原性細菌は我々の腸内に共存し、抗生物質に対する耐性を交換することができるのである。マウスを使った実験により、研究者たちは特定の栄養源を加えることで2つのサルモネラ菌集団の共存が促進され、抗生物質耐性菌が増加することを明らかにした。
その結果、私たちの食事は、特定の細菌集団の増殖を選択的に促進する栄養源を提供することで、抗生物質耐性遺伝子の拡散を意図せず促進する可能性がある。
腸の顕微鏡画像、黒背景に緑と赤の楕円が見える。
1つの栄養源の違いにより、2つの異なるサルモネラ菌集団（緑と赤）が同時にマウスの腸管内腔に定着している。(写真：Ersin Gül / ETH Zurich）
有害細菌の侵入に対する新たなアプローチ
この発見は、私たちの腸内にいる友好的な細菌も同じコロニー形成戦略をとる可能性があるため、その意味も含んでいる。「私たちの研究は、種レベルでの代謝能力のわずかな違いが、既存の微生物叢の菌株と新しい菌株との入れ替えを促進する可能性を示唆しています」とギュル教授は説明する。
さらに、これらの洞察は、抗生物質耐性の蔓延と闘い、健康な腸内細菌叢を促進するために必要とされる戦略のためのエキサイティングな機会を提示している。「微生物叢に基づく治療法は、このような代替代謝経路に注目することで恩恵を受けるかもしれません」とギュルは示唆する。
ハードはあえて比較する： 「発見された原理は、ロゼッタストーンの最初の文の象形文字を解読するようなものです。将来的には、細菌のゲノムを系統的に分析し、2つの菌株が共存できるかどうか、DNAを交換できるかどうか、どの食品がそれを促進するかを予測できるようになるかもしれません」。
参考文献
Gül E, Abi Younes A, Huuskonen J, Diawara C, Nguyen BD, Maurer L, Bakkeren E, Hardt W-D. マウス腸内におけるサルモネラ菌株間の炭素代謝能の違いによる共存とプラスミド移行。Cell Host & Microbe (2023). Doi: 外部ページ10.1016/j.chom.2023.05.029call_made
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