粘液はどのように微生物を飼いならすのか

グリカンと呼ばれる特殊な糖分子は日和見病原体を武装解除し、感染を防ぐことができます。

消化管、肺、尿路を含む200平方メートル以上の体の部分には粘液が並んでいます。

近年、科学者たちは粘液が細菌やウイルスを閉じ込める物理的な障壁であるだけでなく、病原体をやわらげ、感染を引き起こすのを防ぐことができるという証拠を発見しました。

マサチューセッツ工科大学（MIT）での新しい研究では、粘液に見られる分岐糖分子であるグリカンが、この微生物の馴化の大部分を担っていることを明らかにしています。

粘液には数百の異なるグリカンがあり、MITのチームは、これらの分子が細菌が互いに通信し、感染性バイオフィルムを形成するのを防ぎ、効果的に無害化できることを発見しました。

「粘液の中は治療の宝庫です。」

と、MITのマークハイマンジュニアキャリア開発生物工学教授であるカタリーナ・リブベック氏は述べています。

「これらのグリカンは、非常に広く洗練された生物学的機能を持っています。それらは、微生物がどのように振舞うのかを規制し、微生物は、微生物の振る舞いを制御し、その同一性を実際に調整することができます。」

Nature Microbiology誌に掲載されているこの研究では、嚢胞性線維症患者や免疫システムが低下した人に感染を引き起こす可能性のある　　　　　　日和見病原体である緑膿菌とグリカンの相互作用に焦点を当てました。

リブベック氏の研究室で現在進行中の研究は、グリカンが他の微生物の挙動も同様に調節できることを示しています。

Nature Microbiology誌に載せられた論文の主執筆者は、MITの大学院生であるケルシー・ウィーラー氏です。

平均的な人は毎日数リットルの粘液を生成し、最近までこの粘液は主に潤滑剤と物理的障壁として機能すると考えられていました。

しかし、リブベック氏らの研究では、粘液が細菌の行動を実際に妨害し、微生物が表面に付着して互いに通信するのを防ぐことができることを示して　います。

この新しい研究で、リブベック氏はグリカンが微生物の行動を制御する粘液の能力に関与しているかどうかをテストしました。

オリゴ糖の一種であるこれらの糖分子は、粘液のゲル形成性素材であるムチンと呼ばれるタンパク質に付着して、ボトルブラシのような構造を形成　　します。

粘液関連グリカンの研究はほとんど行われていませんが、リベック氏は、粘液から以前に見た微生物の除害活動に大きな役割を果たす可能性があると考えました。

その可能性を探るために、彼女はグリカンを分離し、緑膿菌にさらしました。

ムチン・グリカンにさらされると、細菌は行動を大きく変化させ、宿主にとって有害性が低くなりました。

例えば、それらはもはや毒素を産生せず、宿主の細胞に付着したり死滅させたりもせず、細菌コミュニケーションに不可欠な遺伝子も発現しません　　でした。

この微生物による武装解除活動は、この細菌が感染を確立する能力に大きな影響を及ぼしました。

リブベック氏は、緑膿菌感染熱傷の傷の治療ではムチンおよびムチングリカンによる治療が細菌の増殖を低減することを示し、これらの毒性中和剤の治療の可能性を示しています。

「無傷のムチンには規制効果があり、あらゆる種類の病原体の行動スイッチを引き起こす可能性があることがわかりましたが、今、分子機構とこれに関与するエンティティ、つまりグリカンを正確に特定できます。」

とリブベック氏は言います。

これらの実験では、研究者は数百個のグリカンのコレクションを使用しましたが、彼らは異なる経路または異なる微生物と特異的に相互作用する　　　可能性のある個々のグリカンの影響について研究を行う予定です。

緑膿菌は、健康な粘液が抑制し続ける多くの日和見病原体の1つです。

リブベック氏は現在、連鎖球菌やカンジダ菌を含む他の病原体の調節におけるグリカンの役割を研究しており、グリカンと相互作用する微生物細胞　　表面の受容体の同定にも取り組んでいます。

連鎖球菌に関する彼女の研究は、グリカンが遺伝子の水平移動をブロックできることを示しています。

遺伝子の水平移動は、微生物が薬剤耐性のために遺伝子を広めるためにしばしば使用するプロセスです。

リブベック氏と他の研究者は、ムチンとグリカンについて学んだことを使用して人工粘液を開発することに興味を持っています。

粘液の力を活用することは、従来の抗生物質の補完的な戦略となるため、抗生物質耐性感染を治療する新しい方法にもつながる可能性があると　　リブベック氏は述べています。

「私たちの発見は、自然が困難な微生物を殺すのではなく、武装解除する能力を進化させたということです。これは、耐性を発達させるための選択圧を制限するだけでなく、それらが生き残る方法を見つける圧力も受けないので、多様な微生物叢の作成と維持にも役立つはずです。」

と彼女は言います。

リブベック氏は、粘液中のグリカンも、ミクロバイオームの組成、つまり人体内に存在する数兆個の細菌細胞の決定に重要な役割を果たすと　　　　　　考えています。

これらの微生物の多くは人間の宿主にとって有益であり、グリカンは彼らに必要な栄養素を提供するか、もしくはそれらの繁栄を助けるかもしれないと彼女は言います。

このように、粘液関連のグリカンは、母乳に含まれる多くのオリゴ糖に似ています。

これには、微生物の行動を調節できる幅広い糖が含まれています。

「これは、人間だけでなく動物全体において、体内のコミュニティを形成し、操作することを目標とした多くのシステムで使用される可能性が高い　　　　主題です。」

とリブベック氏は述べています。

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Science daily