尿路感染における尿病原性大腸菌の形状変化

バイ菌は厳しい環境で生き残るための独自の方法を持ってるんだ。例えば、尿路病原性大腸菌（UPEC）は、普通は棒状だけど、尿路感染症（UTI）を引き起こすときには球状やフィラメント状に変わることがある。UTIは抗生物質耐性の大きな原因で、UPECがほとんどのケースを引き起こしてる。専門家たちは感染のプロセスについては多く知ってるけど、UTI中にUPECが人間の細胞内でどうやって生きてるかの詳細はまだ不明なんだ。

#UPECと人間の細胞内での振る舞い

UPECが膀胱の細胞を侵入すると、細菌の集まりである細胞内細菌群（IBC）を形成する。これらの細菌の多くは約1ミクロン以下の球形になる。最初は、科学者たちはこれらの球形が細胞が縮んだり形を変えたりすることでできると考えてた。この理論は、宿主の中の栄養が細菌の成長を制限しないという考えに基づいてた。実際、以前の研究ではUPECの棒状細菌が球形に分裂することが示されてたけど、その正確なプロセスは完全には理解されてなかった。

人間の膀胱細胞内でUPECが成長するのを注意深く観察することで、研究者たちは細胞分裂の道具である分裂小器官（divisome）を特定した。これが球形の形成に重要な役割を果たしてるんだ。

#感染モデルの設定

UPECを研究するために、科学者たちは人間の膀胱細胞を使ったラボ感染モデルを設定した。彼らは蛍光ラベルをつけたUPECを用いて、細菌が時間とともにどう分裂するかを追跡した。感染が始まって約6時間後、棒状から球形への変化が見られた。これは、各膀胱細胞に細菌が少数しかいなかったにもかかわらずのことで、驚きの発見だった。

#UPEC分裂ダイナミクスの観察

分裂小器官がUPECの棒状から球形への分裂を調整することが確認された。研究チームは様々な画像技術を使って細菌を観察し、サイズや形を測定した。細胞内のUPEC細菌は細胞外のものよりも明らかに短かった。例えば、細胞内の細菌の長さは平均1.3ミクロンで、細胞外のものは平均2.59ミクロンだった。

分裂の挙動を見ると、UPECの棒状細菌は平均0.88ミクロンの長さで球形に変わった。これらの球形は通常、幅と高さが似ていて、分裂後の細胞外細菌とは異なってた。

別のUPECの株を使ったさらなる研究では、分裂パターンが似たようなものとなることが示され、UPECが一貫して球形に分裂し、この形を世代を超えて維持できることが確認された。

#分裂タンパク質の役割

球形の形成が活発な分裂に依存していることを確認するために、科学者たちはUPEC内の細胞分裂に関わる特定のタンパク質の挙動を追跡した。これらのタンパク質、FtsZとFtsNは細菌の分裂に欠かせないもので、FtsZが細胞の中心にリングを形成して分裂を知らせる様子を観察した。

膀胱細胞内で球形が分裂するのにかかる時間は、標準的な成長条件下の20分に対して、平均2時間以上とかなり長かった。この遅い分裂率は、別のUPEC株でも観察され、この挙動が特定の細菌に特有のものではないことを示している。

#動きのパターンの変化

興味深いことに、球形での分裂過程を研究しているとき、研究者たちは分裂タンパク質の動きが変わるのに気付いた。棒状の細菌では、タンパク質の動きがスムーズで一貫してる。しかし、小さい球形では、パターンが不規則になった。端から端へ移動するのではなく、タンパク質は球の側面に沿って円形の動きをするようになったんだ。

#分裂中のDNAの挙動

UPECの球形での分裂中のDNAの挙動を調べることも研究の重要な側面だった。DNAマーカーを使って、細胞分裂の際に両方の娘球形がDNAの等しい部分を受け取ることを確認した。この効率的なDNA共有は、棒状細菌で見られたものに似てた。

細胞内の球形のDNAの平均的な長さは細胞外の細菌よりも短かったけど、それでもちゃんと等しく分裂した。DNAの分配と細胞分裂が観察されたとき、科学者たちは分裂タンパク質が未分裂のDNAに対して働き始めることを発見した。これは、球形ではDNAを制御する特定のメカニズムが棒状よりも活発ではないことを示唆してる。

#結論：UPECが形を変える理由

この研究は、UPECが棒状から球状に積極的に変化し、宿主細胞内でその形を維持できることを示している。この形を変える能力は、棒状細菌が分裂するのと似たように複雑な分裂機構によって駆動されているんだ。

重要な発見として、球形の分裂は遅いけど、分裂プロセスを導くメカニズムは驚くほど変わらないことがわかった。さらに、スムーズだったタンパク質の動きがより混沌とした行動に分解されることは、細菌が周囲に適応する際に直面する課題を示してる。

形を変える理由の一つは、球形の方が感染した膀胱細胞内でよりうまく収まって繁殖できるからかもしれない。これによって、棒状のときよりも一つの細胞内に多くの細菌が存在する可能性がある。また、研究によると、球形は特定の環境で生存する可能性が高いことが示されている。

科学者たちはこれらのプロセスを更に調査し続けて、バイ菌の生存メカニズムやUPECや関連する株による感染治療への影響をより良く理解できることを期待している。さらなる研究が、バイ菌の形の変化が成長や振る舞いにどう影響するかに関する洞察を提供するかもしれない。これは抗生物質耐性との戦いや効果的な治療法の開発において重要なんだ。