「ベルクロ」抗生物質が登場！細菌を殺す前に「ハグ」？

制作：中国科学普及協会

著者: 欧陽昊苗 (中国科学院微生物研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

抗生物質は現代医学における重要な武器です。体内の細菌が健康に脅威を与える場合、回復するまで細菌を殺す抗生物質が必要です。

抗生物質について言えば、「薬剤耐性」についても考えます。抗生物質の乱用や細菌の急速な変異により、一部の細菌が抗生物質に耐性を持つようになり、抗生物質が効かなくなることがあります。

では、「薬剤耐性」の限界を打ち破り、私たちの健康の実現にさらに役立つ抗生物質はあるのでしょうか?

（写真提供：veerフォトギャラリー）

抗生物質はどのように作用するのでしょうか?

私たちの体にはたくさんの細菌が存在します。彼らは小さな生物です。プロバイオティクスなどの一部の細菌は体に有益です。しかし、一部の「悪い」細菌は私たちの体に脅威を与え、不快感や風邪、発熱などを引き起こす可能性があります。このような場合には抗生物質が必要になります。

抗生物質は、これらの細菌を特に標的とする軍隊の「大砲」のようなものです。敵である細菌を見つけると、細菌を攻撃し始めます。一部の抗生物質は細菌の細胞壁や細胞膜を直接破壊し、それによって「悪い」細菌を殺すことができます。一部の抗生物質は狙撃兵のように細菌内に侵入し、その重要な部分を正確に攻撃することができます。そして、一部の抗生物質は、細菌の中に潜んで細菌の生息環境を破壊し、「悪い」細菌を弱らせ、最終的に私たちの免疫システムによって打ち負かすような薬剤のようなものです。抗生物質が細菌と戦い始めると、細菌がすべて死滅するまで攻撃を続け、私たちはすぐに回復します。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

新しい抗生物質：ベルクロのように細菌にくっつく

抗生物質の作用原理から、細菌の細胞壁を破壊することが細菌を殺す非常に効果的な方法であることがわかります。科学者たちは、細胞壁の合成を阻害したり、細胞壁の構造を破壊したりするなど、この方向で多くの研究を行ってきました。では、上記の方法以外に何か手段はあるのでしょうか？

最近、オランダのユトレヒト大学の研究者らが最新の研究結果を『ネイチャー・マイクロバイオロジー』誌に発表した。研究者らは、プレクタシンと呼ばれる小分子抗生物質がより大きな構造に組み立てられ、ベルクロの両側のフックとループがくっつくのと同じように細菌細胞の表面に固定され、細菌が逃げ出して体細胞に感染し続けることを不可能にできることを発見した。この刺激的な発見は、抗生物質の開発に画期的な進歩をもたらす可能性があり、薬剤耐性菌に対抗できる新しい抗生物質の開発に重要な意味を持ちます。

このタイプのプレクタシンは、トリュフ由来の抗菌マイシンであるプレクタシンなど、真菌菌糸体によって生成される抗菌作用を持つ酵素の一種です。この抗生物質のユニークな点は、単純な化学結合によって細菌を抑制するのではなく、抗生物質菌糸酵素の「ベルクロ機構」という独創的な自己組織化機構によって抗菌活性を高めることです。

簡単に言えば、この小分子抗生物質はより大きな構造に集まり、ベルクロの両側のフックとループがくっつくのと同じように細菌細胞の表面に固定され、細菌が逃げ出して体細胞に感染し続けることを不可能にします。

プレクタシンを例にとると、細菌を殺すことができる「ベルクロ」を形成するために、抗生物質菌糸酵素は次の手順を踏む必要があります。

1. カルシウムイオンによる自己組織化

カルシウムイオンが存在すると、菌糸酵素プレクタシンは構造変化を起こし、自己集合が可能になり、細菌表面で効果的に自己集合します。

2. 細菌細胞壁前駆体脂質IIを標的とする

菌糸酵素プレクタシンの構造変化が起こると、細菌細胞壁の前駆体脂質 II (リピド II) を効率的かつ選択的に認識して結合できるようになります。これは、鍵を錠前に差し込むのと似たプロセスです。脂質 II は細菌細胞壁の合成に不可欠な前駆体であるため、この結合は自己組織化プロセスにおける重要なステップでもあります。

3. 自己組織化による超分子構造の形成

細菌細胞表面では、プレクタシン分子がさらに相互作用して、高密度の超分子構造を形成します。これらの構造は、多点結合によって細菌膜にしっかりと付着しています。この自己組織化により、「ベルクロ」に似た高密度の超分子構造が形成され、細菌の表面にしっかりと固定されます。この多点結合により、細菌表面の酵素分子の安定性が向上するだけでなく、抗菌効果も向上します。 。

4. 細菌細胞壁合成を阻害する

これらの超分子複合体は、形成されると、細菌の「リング」に付着した小さな「フック」のように機能し、標的の脂質 II に引っ掛かり、脂質 II が新しい細胞壁を合成するのを防ぎ、最終的に細菌の構造的完全性と機能を失わせて死に至らしめます。このプロセスでは、脂質 II が「フック」から外れても、細菌は依然として多数の「フック」に閉じ込められており、逃げることができず、さらなる感染を引き起こすことはできません。

「ベルクロ」の模式図

(画像出典: Nature Microbiology)

菌糸酵素プレクタシンは、そのユニークな「ベルクロ」作用メカニズムを通じて、多剤耐性菌に対処できる可能性を秘めており、現在の抗生物質耐性危機における重要な研究方向でもあります。

抗生物質設計の新しいアイデア: 薬剤の自己組織化効率に焦点を当てる

科学者たちは、プレクタシンに加えて、多くの抗生物質が抗菌作用を高めるために同様の自己組織化「ベルクロ機構」を使用している可能性があることも発見しました。この発見は、抗生物質の設計にも新たなアイデアを提供します。薬物が標的に結合する能力だけでなく、薬物の自己集合の効率も考慮する必要があります。このメカニズムを学ぶことで、将来的には細菌感染症と戦うのにもっと効果的な薬を開発し、ますます深刻化する抗生物質耐性の問題に対処できるようになるかもしれません。

さらに、科学者たちは抗生物質菌糸酵素が人体に及ぼす影響と安全性についても研究してきました。結果、この抗生物質は動物実験において黄色ブドウ球菌、大腸菌、緑膿菌による感染症と戦うことができることが示されました。次のステップは、臨床試験を通じて人間への応用の可能性をさらに評価することです。

抗生物質耐性は、世界中の医療システムが直面している大きな課題です。薬剤耐性菌の出現により、多くの従来の抗生物質が効かなくなっています。抗生物質菌糸酵素の「ベルクロ機構」の研究は、抗生物質の研究開発に新たな道を開きました。薬剤の自己組織化メカニズムを理解し、活用することで、科学者はより効果的な抗菌薬を設計することができ、将来の抗菌治療に貴重なアイデアを提供します。これにより、既存の抗生物質の寿命が延びるだけでなく、薬剤耐性菌に対する新たな武器の開発にもつながる可能性がある。

この発見がさらなる研究を刺激し、細菌感染の脅威から人類の健康を守るための抗生物質開発の新たな時代の到来を告げるものとなることが期待されます。