鮮明な画像により、生きているバクテリアの保護膜の詳細が明らかになった

生物学
©UCL

画像:生きている大腸菌の顕微鏡写真で、保護膜である外膜の斑状(パッチ)の性質がわかる。タンパク質の密集したネットワークが、タンパク質のない滑らかな島(挿入図では破線で示されている)によって中断されている。

ユニヴァーシティ・カレッジ・ロンドン(UCL)の研究者たちは、これまでで最も鮮明な生きたバクテリアの画像を記録し、多くのバクテリアを取り囲み、抗生物質で死滅しにくくする保護層の複雑な構造を明らかにしました。

今週、米国科学アカデミー紀要に掲載されたこの研究は、国立物理学研究所、キングスカレッジロンドン、オックスフォード大学、プリンストン大学の科学者との共同研究によるもので、グラム陰性菌と呼ばれる保護外膜をもつ細菌は、その表面に強い部分と弱い部分があることが明らかになりました。

研究チームは、細菌の保護膜には、タンパク質の構成要素が密集したネットワークがあり、タンパク質を含んでいないように見えるパッチ(斑状部分)が交互に存在することを発見しました。

その代わりに、これらのパッチには、糖鎖をもつ分子(糖脂質)が豊富に含まれており、外膜を強固に保っています。

グラム陰性菌の強靭な外膜は、ある種の薬剤や抗生物質が細胞内に侵入するのを妨げているので、これは重要な発見です。

このような細菌(アシネトバクター・バウマニ、緑膿菌、サルモネラや大腸菌などの腸内細菌科)の抗菌剤耐性が、耐性黄色ブドウ球菌(MRSAとして知られる)などのグラム陽性菌よりも脅威であると考えられているのは、この外膜が一因です。

「外膜は、抗生物質に対する強力なバリアであり、感染症の細菌が治療に対して耐性を持つようになるための重要な要因です。しかし、このバリアーがどのように形成されているのかは、まだよくわかっていませんでした。生きているバクテリアを分子から細胞レベルで研究することで、膜タンパク質がバクテリアの表面全体を覆うネットワークを形成し、タンパク質を含まないパッチには小さな隙間ができている様子がわかりました。このことから、バリアーは、細菌全体に均等に破られたり、伸びたりするのではなく、抗生物質の標的にもなりうる強い部分と弱い部分があるのではないかと考えられます。」

この構造をよりよく理解するために、科学者たちは、生きている大腸菌(E. coli)の上に小さな針を走らせ、その全体的な形を「感じる」ようにしました。

針の先端の幅はわずか数ナノメートルなので、細菌の表面にある分子構造を可視化することができました。

その結果、細菌の外膜全体に、栄養分の侵入を許し、毒素の侵入を防ぐタンパク質で形成された微細な穴がびっしりと並んでいることがわかった。

外膜には多くのタンパク質が含まれていることは知られていましたが、このように密集していて動かないという性質は予想外でした。

驚くべきことに、画像にはタンパク質が含まれていないと思われる多くのパッチも写っていました。

これらのパッチには、通常、グラム陰性菌の表面に存在する糖脂質が含まれています。

さらに、突然変異によって膜の一部が裏返しになった場合には、別のタイプのニキビのようなパッチが形成されていました。

この場合、これらの欠陥の出現は、通常はグラム陽性菌にしか効かず、グラム陰性菌には効かない抗生物質であるバシトラシンに対する感度の向上と相関していました。

ユニヴァーシティ・カレッジ・ロンドンのHoogenboom教授の研究室で細菌の顕微鏡観察を行ったGeorgina Benn氏は、次のように説明しています。

「細菌の外膜の教科書的な写真では、タンパク質が膜上に無秩序に分布し、膜の他の構成要素とよく混ざっているように見えます。しかし、今回の画像では、そうではなく、脂質パッチが、ちょうど油が水から分離するように、タンパク質の多いネットワークから分離しており、場合によっては細菌の鎧に穴が開いていることがわかりました。外膜を見るこの新しい方法は、膜の機能や完全性、抗生物質への耐性にこのような秩序が重要であるかどうか、また、どのように重要であるかを探ることを意味しています。」

さらに研究チームは、今回の発見が、バクテリアが緊密な保護膜を維持しながら急速に増殖する方法の説明に役立つのではないかと考えています。

一般的なバクテリアである大腸菌は、好ましい条件下では20分でサイズが2倍になり、さらに分裂します。

研究チームは、タンパク質ネットワークよりも糖脂質パッチのほうが膜の伸縮性が高く、細菌の成長に合わせて膜が適応しやすいのではないかと考えています。

本研究は、UKRI、米国国立衛生研究所、欧州研究評議会、英国ビジネス・エネルギー・産業戦略省の支援を受けて行われました。

Published by University College London. Phase separation in the outer membrane of Escherichia coli, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2112237118.