若い心のためのフロンティア

すべての細菌は悪いですか？

私たちの周りには、空気、土壌、私たちの体のさまざまな部分、そしてヨーグルト、チーズ、ピクルスなどの私たちが食べる食品の一部でさえ、ほとんどどこに しかし、心配しないでください！ ほとんどの細菌は私たちのために良いです。 一部は私達の消化系に住み、私達が私達の食糧を消化するのを助け、一部は環境に住み、私達が呼吸し、地球で住んでもいいように酸素を作り出します。 しかし、残念なことに、これらの素晴らしい生き物のいくつかは、時には私たちを病気にすることができます。 これは、感染を制御するための薬を処方する可能性のある医師に診てもらう必要があるときです。 しかし、これらの薬は正確には何であり、どのように細菌と戦うのですか？ これらの薬は”抗生物質”と呼ばれ、”細菌の生命に対して”という意味です。「その名前が示すように、抗生物質は細菌を殺すか、特定のプロセスが細菌細胞内で働くのを止めることによって成長を止めるかのどちらかです。 細菌が成長を停止すると、私たちの体はその後、感染をクリアすることができ、我々はより良い感じ。

抗生物質の開発は現代医学の最大の成功の一つです。 抗生物質は、医師が1940年代にそれらを使用し始めて以来、何百万人もの命を救ってきました。抗生物質は、ほぼすべてのタイプの細菌感染症を正常に治療することによって、人間がはるかに良い生活を送るのを助けました。 しかし、私たちのように、細菌もスマートです！ 1940年代以来、細菌は抗生物質の影響を克服するための戦術を開発してきました、そして今日、我々はもはや抗生物質によって全く殺されることができな これらは抗生物質耐性菌または「スーパーバグ」として知られるようになり、世界中の人々の健康に深刻な脅威となっています。 細菌感染を止めるための抗生物質がなければ、指の小さな感染した切れ目のような単純なものでさえ、生命を脅かす可能性があります。 したがって、新しい抗生物質の形での新しい武器は、抗生物質耐性細菌によって引き起こされる感染症を治療するために必要とされる。 新しい抗生物質を見つけるためには、まず細菌細胞の内部の仕組みを完全に理解する必要があります。 私たちの研究室では、細菌がどのように機能するかについて非常に重要な何かを理解することに焦点を当てています—細菌が一つの細胞から二つの細胞になる方法、また、細菌細胞分裂のプロセスとも呼ばれます。

一つから二つになる細菌の方法

あらゆる種類の生物と同様に、すべての細菌は種として生き残るために成長し、増殖する必要があります。 十分な食糧が利用できるとき、細菌は2つの新しい細胞を作成するためにサイズで倍増し、次に半分に裂くことによってすぐに増加します。 これは図1Aに示す”分裂”のプロセスであり、細菌はこれを行うために細胞内の一種の機械を使用し、これはZリング（図1の緑のリング）と呼ばれています。 Zリングは細胞の中央に正確に形成され、細胞の周りを包みます。 セルが分割されると、同じサイズの2つの新しいセルが作成されます。 分割中に、セル内のすべてをコピーし、2つの新しいセル間で均等に共有する必要があります。 これには、細胞が生き残るために必要なすべての情報を運ぶ細菌のコードのようなものである細菌DNA（図1の細胞内の茶色の塊として示されている）が 新しい細胞がこの情報の完全なコピーを受け取らなければ、それらはきちんと育つことができないし、存続しません。

細胞の正確な中央にZリングが形成されることは、2つの健康な細胞を産生するために不可欠であり、そうでなければ1つの細胞はDNAを含まず、死に至る(図1B)。 これは細菌の成長のためにあまりよくない存続する新しい細菌の細胞の半分だけで起因します。 ここでは非常に興味深い質問があります—細菌細胞は、Zリングが細胞の中央にのみ形成され、細胞内の他の場所には形成されないことをどのように Zリングが形成される場所は非常に重要であるため、Zリングがセルの中央以外の場所で形成されるのを止めるために一緒に働く多くのシステム

Zリングが正しい場所で形成されることを確認することに加えて、セルはZリングを形成して分割する正しい時間を感知する必要もあります。 これは、細菌が入っている環境に非常に依存します。 例えば、それが非常に寒い場合、または周りに食べ物がない場合、細菌は非常にゆっくりと成長し、非常に頻繁に分裂する必要はありません。 細菌が分裂するのに良い時期は、単純な糖などの好きな食べ物がたくさんあるときです。 このような状況では、細菌細胞はより速く成長し、食物がなくなる前に可能な限り多くの新しい細菌が生産されることを確認するために、非常に迅速 しかし、問題は、細菌がその環境中の食物の存在をどのように感知し、この情報を使用して成長と細胞分裂をスピードアップするのかということです。 これは私たちが私たちの研究で答えたかった質問です。

私たちの研究—細菌の食べ物は単にエネルギーのためではなく、より多くのことを行います……

食物は細胞内で分解され、細胞が成長するためのエネルギーとビルディングブロックを作り、これを行うプロセスは代謝として知られています。 言い換えれば、私たちの研究で私たちが尋ねた質問は、代謝が細菌の細胞分裂にどのように関連しているのかということでした。 まず、代謝がどのように機能するかについて少し説明する必要があります。 酵素は新陳代謝の間に食糧を破壊するために必要なすべての化学反応を遂行する細胞の中の小さい部品である。 細菌が食べる食品から来る単純な砂糖であるグルコースは、一緒に解糖（図2Aのオレンジ色のボックス）のプロセスとして知られているいくつかのステ 解糖の最後のステップは育つために細胞のためのエネルギーそしてブロックを発生させるのに使用されているピルビン酸塩と呼出される混合物を

前に述べたように、健康な細菌細胞は細胞の中央にZリングを形成します（図2B）。 我々の研究では、解糖の最後のステップを実行する酵素が欠落している場合（つまり、細菌はもはや食品を正しく処理していない）、細菌細胞は中間以外の 図2Cでわかるように、解糖の最後のステップに関与する酵素を欠いている細胞は、細胞の一端に向かってZ環を形成する。 これは悪いニュースであり、これらの細胞は誤って分裂し、一つの大きな細胞と、DNAを含まないもう一つの非常に小さな細胞を生産して、もはや生き残ることができません。 この結果は，解糖のこの最後のステップが細胞の中央でのＺリングの正しい位置決めにとって非常に重要であることを示した。

その後、解糖の最後のステップに関与する酵素が欠落しているためにZ環の位置のこの変化が起こるのか、それともこの酵素によって生成された化合物であるピルビン酸塩が欠落しているために起こるのか疑問に思った。 (図2Aを参照)。 我々は、酵素を除去することによってこの可能性をテストし、細菌細胞がピルビン酸を産生できなくなり、細菌の食物源の一部としてピルビン酸を添加した。 通常、ピルビン酸を生成する酵素を欠いた細胞は、細胞の端に向かってZ環を形成するが、ピルビン酸を再び添加すると、細菌は健康な細菌細胞のように、細胞の中央にZ環を形成し始めた。 解糖の最後のステップに関与する酵素を欠いている細胞内のZ環の異なる位置を見て、図2C、Dのピルビン酸塩がこれらの細胞に戻って添加されたとき、この結果は、Z環の位置にとって重要な酵素自体ではなく、その生成物であるピルビン酸塩であることを確認した。 解糖と細胞分裂に関与する化学物質との関連が示されたのはこれが初めてであり、ピルビン酸塩はその後、我々のさらなる実験の焦点となった。

食品の入手可能性はZリングの位置をどのように決定しますか？

ピルビン酸が細胞の中央でのZ環形成に重要であることを発見したことで、代謝と細胞分裂のプロセスがどのように伝達するかを理解すること ピルビン酸が産生されると、それが別の酵素によって使用されて細胞内でエネルギーを産生することがわかっています。 この第二の酵素が細菌細胞の中の特定の場所に位置していたのかどうか疑問に思いました。

DNAと酵素の両方を”光る”ようにすることで、顕微鏡を使って細胞内のどこに位置しているかを見ることができます。 健康な細菌では、酵素とDNAが同じ場所に位置し、細胞内の丸い塊として見ることができることがわかりました（図3）。 ピルビン酸を産生できなかった細胞では、酵素はもはやDNAと同じ場所に存在せず、代わりに酵素は細胞の両端に向かって移動することが分かった。 これは、Zリングが適切に分割されない細胞内で形成されるのと同じ場所です。 我々はすでに、これらの細胞にピルビン酸塩を添加すると、再び細胞の中央に戻ってZリングをシフトすることを知っているので、ピルビン酸塩もDNAが見 これはまさに起こったことです！ これらの結果は、ピルビン酸塩が細胞の中央でのZ環の正しい位置に重要であり、ピルビン酸塩を使用してエネルギーを作る酵素と協力することによ ピルビン酸塩と酵素は同じ経路で一緒に働くので、これは理にかなっています。

我々の結果は、代謝と細菌細胞分裂がピルビン酸塩（およびピルビン酸塩を使用してエネルギーを生成する酵素）を介して互いに通信し、適切な場所でZ環 十分に供給された細菌（ピルビン酸を適切に作ることができる）では、酵素は細胞内のDNAと同じ場所に位置しています。 この位置では、酵素は細胞の中央でZ環の形成を助けるように見えるので、細胞は正しく分裂する。 しかし、細胞がピルビン酸を作らない場合、酵素は間違った場所に行き、Zリングも（細胞の端に向かって）行きます。 従って、食糧が正しく処理されないし、ピルビン酸塩が作り出されないとき、細菌は細胞分裂プロセスの間違いを作り始めます。 これは、乳糖不耐症の人々に見られるものに似ています。 彼らは牛乳を飲むとき、彼らは適切に乳糖を処理することはできませんので、病気になります。 だから、食べ物を正しく処理し、健康になる能力は、すべての生き物にとって本当に重要です。 食物が細菌の中にあるべき方法で処理されないとき、Zリングは、それがあってはならない場所で形成され、細胞が間違った方法で分裂し、細菌集団が生存する細菌の可能性の数を減少させる。 この分裂の間違いは、細菌に正しい食物を与えることによって修正することができ（ピルビン酸塩を戻す）、細菌がその環境で食物を使用する方法が

なぜ私たちは代謝部門のリンクを気にしていますか？

この研究で私たちが尋ねた質問は、細菌が環境中の食物の利用可能性をどのように感知し、食物の存在が細胞分裂の過程にどのように影響するか 食糧が見つけ易いとき細菌は非常にすぐに育ち、分かれますが食糧が乏しいときはるかにゆっくり分けます。 異なるレベルの食物が周りにあるときに、細菌が異なる速度で分裂することをどのように知っているかは知られていません。 細菌が利用可能な食物源を、特に感染中にどのように感知し、食物の感知が細菌の増殖をどのように制御するかについての詳細を理解することによ これは、細菌が適切な食べ物を得られない場合、または食べ物を正しく処理しない場合、細菌が適切に成長できないためです。 これは人間に似ています—私たちは健康を維持するために良い食べ物を食べ、適切な食べ物を食べないと病気になる可能性があります。 したがって、”私たちは私たちが食べるものです”というフレーズは、細菌と人間にも同様に適用されます。 この研究から、我々は細菌の代謝と細胞分裂の間に刺激的な新しいリンクを発見しました。 しかし、これらのプロセスは非常に複雑であり、私たちはこのリンクを理解しようとするために表面を傷つけただけなので、次のステップはこの謎

この記事の冒頭で、抗生物質耐性の問題について話しました。 代謝と細胞分裂の間のリンクは抗生物質耐性と何が関係していますか？ 抗生物質耐性の問題に取り組むためには、細菌の増殖と生存の未踏の側面を標的とした新しい抗生物質を開発する必要があります。 現在利用可能な抗生物質の多くは、細菌がDNA、タンパク質または細菌細胞の外層のいずれかを作るために使用するプロセスを標的とする。 これらの抗生物質は非常に成功していますが、細菌は抗生物質の存在下でさえ、これらのプロセスを継続するための戦術を開発しました。 この研究では、新しい抗生物質の標的として役立つ可能性のある細菌の代謝と細胞分裂との間の新しいリンクを同定した。 細菌がピルビン酸を作るのを止めたり、ピルビン酸を使用する酵素が細胞内にある場所を変えることができれば、代謝と細胞分裂の両方が中断され、細胞が死ぬことになります。 細菌の生存（代謝と細胞分裂）にとって重要な二つの異なるプロセスを標的とする抗生物質を作ることができれば、これらのプロセスの両方に対する抗生物質の効果を克服するための戦術を開発しなければならないので、細菌細胞がその抗生物質に耐性になることはより困難になる。 細菌細胞が達成するために抗生物質耐性をはるかに困難にすることは、抗生物質耐性と戦うための新しい解決策を提供することを願っています。

用語集

細菌細胞分裂：1つの細菌細胞が2つの細胞に分裂するプロセス。

DNA：細胞が生存するために必要なすべての情報を運ぶ細胞内のコード。

代謝：食物をエネルギーに変換するすべての化学プロセスは、一緒に代謝と呼ばれます。

酵素：反応が迅速に起こるのを助ける生物学的成分。

グルコース：単純な砂糖。

解糖：グルコースをピルビン酸の二つの分子に分解する経路。

ピルビン酸：グルコースが分解（代謝）された後に生成される化合物。

利益相反声明

著者らは、この研究は利益相反の可能性と解釈される可能性のある商業的または財政的関係がない場合に行われたと宣言している。

謝辞

RMはオーストラリア政府の研究訓練プログラム奨学金によって支援されています。 ABとEHは、オーストラリアの研究評議会発見プロジェクト助成金DP150102062によってサポートされています。

元のソース記事

Monahan,L.G.,Hajduk,I.V.,Blaber,S.P.,Charles,I.G.,And Harry,E.J.2014. 細菌の細胞分裂を栄養の利用可能性と調整する：解糖の役割。 ムビオ5(3):1-13. ドイ:10.1128/mBio.00935-14