研究テーマ

私たち人間は「言葉」を使って相手とコミュニケーションを取り合っています。しかし、最も単純な生物である細菌はどうでしょうか？目もなければ口もないし耳もありません。しかし、細菌でも仲間と「会話」をしていることがわかってきました。その会話の一つがQuorum Sensing（クオラムセンシング）です。

細菌はQuorum Sensingにより、周囲に自分の仲間がどのくらいの密度で存在するかを確認しています。細菌は言葉の代わりに「オートインデューサー」と呼ばれる化学物質を用いて相手とコミュニケーションを取り合っています。仲間が周りに集まったことを察知して一斉に行動を起こすのですが、病原菌の場合、毒素の放出などの病原性因子を制御していることもわかっています。

「Quorum」とは法律用語で「定足数」を意味します。つまり、Quorum Sensingとは、細菌が定足数に達するまで静かに増殖を行い、いったん定足数を超えると一斉に毒素の放出などを開始するシステムのことです。一匹では歯が立たない相手でも、仲間が集まったところで一斉に攻撃を仕掛ければ、大きな相手でも倒すことが出来るという、細菌が考え出した優れた生存戦略なのです。

生物工学研究室では、細菌の中でもグラム陰性細菌のQuorum Sensingを研究しています。グラム陰性細菌は、図に示す構造のアシル化ホモセリンラクトン（AHL）と呼ばれる化合物をオートインデューサーとして用いています。このAHLがQuorum Sensingにおける言葉の正体です。AHLは、ホモセリンラクトンに様々な構造のアシル鎖がアミド結合をしており、アシル鎖の構造は細菌の種類によって様々に異なります。

Quorum Sensingの制御には、主に2種類のタンパク質が用いられています。一つは、AHL合成酵素であるLuxIファミリータンパク質です。AHL合成酵素によって生合成されたAHLは、細胞内外を自由に拡散すると考えられています。細菌が増殖して菌体密度が増加すると、それにつれてAHLの濃度も上昇します。AHLがある一定濃度を超えると、AHLレセプタータンパク質であるLuxRファミリータンパク質と複合体を形成し、特別なプロモーターの下流の遺伝子の転写を活性化させます。

AHLを介したQuorum Sensingにより、細菌は生物発光や色素生産、抗菌物質生産などを制御していることが知られています。特に病原性細菌においては、毒素生産、運動性、バイオフィルム形成などの各種病原性因子の発現を制御していることが明らかとなっており、Quorum Sensingを阻害することができれば、これらの病原性因子の発現も阻害されることから、病原性制御に向けたターゲットとして注目を集めています。

生物工学研究室では、様々な細菌のQuorum Sensing機構を遺伝子レベルで解析を行ってきました。植物病原菌Pantoea ananatis^{1, 2)}、Pectobacterium carotovorum³⁾、Pseudomonas syringae⁴⁾、魚病細菌Edwardsiella tarda^{5, 6)}を用いた研究では、新規AHL合成遺伝子のクローニングと菌種間での分布、病原性因子発現の制御機構を明らかにしました。また、水回りのピンクぬめりの原因となるMethylobacterium属細菌においては、付着にかかわるバイオフィルムの構造がQuorum Sensingに制御されることも明らかにしました⁷⁾。

細菌の中には、Quorum Sensingにより抗菌物質生産を制御する細菌が存在します。本研究室では、オレンジ色の抗菌物質であるフェナジン誘導体を生産するPseudomonas chlororaphis subsp. aurantiacaが、3系統のQuorum Sensingシステムを有しており、これらのQuorum Sensingシステムが多重化することで複雑なフェナジン誘導体生産制御を示すことを明らかにしました^{8, 9)}。

この他にも、Chromobacterium violaceumが生産する紫色色素Violacein^{10, 11)}、Serratia marcescensが生産する赤色色素色素Prodigiosinなど^{12, 13)}、様々な抗菌物質生産とQuorum Sensingの関係を明らかにしています。

¹⁾ Morohoshi et al., J. Bacteriol., 2007. ²⁾ Morohoshi et al., J. Biosci. Bioeng., 2011. ³⁾ Morohoshi et al., Microb. Environ., 2019. ⁴⁾ Morohoshi et al., FEMS Microbiol. Ecol., 2021. ⁵⁾ Morohoshi et al., J. Biosci. Bioeng., 2004. ⁶⁾ Morohoshi et al., J. Biosci. Bioeng., 2009. ⁷⁾ Morohoshi et al., Biosci. Biotech. Biochem., 2019. ⁸⁾ Morohoshi et al., J. Biosci. Bioeng., 2013. ⁹⁾ Morohoshi et al., Microb. Environ., 2017. ¹⁰⁾ Morohoshi et al., FEMS Microbiol. Lett., 2008. ¹¹⁾ Morohoshi et al., Biosci. Biotech. Biochem., 2010. ¹²⁾ Morohoshi et al., Appl. Environ. Microbiol., 2007. ¹³⁾ Sakuraoka et al., Genome Biol. Evol., 2019.

環境中には、AHLを分解する能力を持った微生物が存在しており、これらの微生物が生産するAHL分解酵素として、AHLのラクトン環を開裂させるAHLラクトナーゼと、AHLのアミド結合を加水分解するAHLアシラーゼの2種類が明らかになっています。これらの酵素によりAHLが分解されると、Quorum Sensingは活性化せず、菌体密度が増加しても病原性を発現することができません。この手法はQuorum Quenchingと呼ばれており、病原菌の病原性のみを阻害することが可能であることから、抗生物質や殺菌剤などに代わる新しい微生物制御技術として注目されています。

生物工学研究室では、多種多様な環境から、新規AHL分解細菌の単離と、新規AHL分解遺伝子のクローニングを行ってきました。これまでに、ジャガイモ分離菌からはMicrobacterium属細菌^{14, 15)}、Solibacillus属細菌¹⁶⁾、Chryseobacterium属細菌^{17, 18)}、アユ腸内フローラからはShewanella属細菌^{19, 20)}、活性汚泥からはAcinetobacter属細菌^{21, 22)}、工場冷却水からはSphingomonas科細菌^{23, 24)}、皮膚表面からは非病原性Staphylococcus属細菌²⁵⁾を新規AHL分解細菌として同定し、新規AHL分解遺伝子のクローニングに成功しました。また、マリアナ海溝から分離されたThermaerobacter marianensisを用いた研究では、従来のAHL分解酵素よりも至適反応温度が大幅に高い、新規耐熱性AHLラクトナーゼを明らかにすることにも成功しました²⁶⁾。

¹⁴⁾ Wang et al., Appl. Environ. Microbiol., 2010. ¹⁵⁾ Wang et al., Microb. Environ.,2012. ¹⁶⁾ Morohoshi et al., J. Biosci. Bioeng., 2012. ¹⁷⁾ Rashid et al., Microb. Environ., 2011. ¹⁸⁾ Wang et al., Appl. Environ. Microbiol., 2012. ¹⁹⁾ Morohoshi et al., Microb. Environ., 2005. ²⁰⁾ Morohoshi et al., Biosci. Biotech. Biochem., 2008. ²¹⁾ Ochiai et al.,Biosci. Biotech. Biochem., 77, 2013. ²²⁾ Ochiai et al., Appl. Environ. Microbiol., 2014. ²³⁾ Morohoshi et al., J. Biosci. Bioeng., 2017. ²⁴⁾ Morohoshi et al., J. Biosci. Bioeng., 2019. ²⁵⁾ Morohoshi et al., Antibiotics, 2020. ²⁶⁾ Morohoshi et al., J. Biosci. Bioeng., 2015.

現在、環境中に流出したプラスチックが深刻な環境問題を引き起こしています。この問題解決の一つに挙げられるのが、生分解性プラスチックの利用拡大です。生分解性プラスチックは、コンポストや土壌環境中では速やかに分解されますが、海洋や湖沼といった水圏での分解性が乏しいとの指摘がありました。生物工学研究室では、モデル生分解性プラスチックとしてPHBH（3-ヒドロキシブチレート-co-3-ヒドロキシヘキサノエート重合体）を用い、PHBHを海水及び淡水サンプルに浸漬すると、バイオフィルムを形成しながら速やかに分解されることを明らかにしました。また、形成したバイオフィルムを構成する細菌種をメタゲノム解析により明らかにするとともに、バイオフィルムから新規AHL分解細菌を単離することに成功しました^{27, 28)}。特に、淡水サンプルから単離したUndibacterium属細菌からは、新規PHBH分解酵素遺伝子（phaZ_UD）をクローニングにすることに成功しました²⁹⁾。

²⁷⁾ Morohoshi et al., Microb. Environ., 2018a. ²⁸⁾ Morohoshi et al., Microb. Environ., 2018b. ²⁹⁾ Morohoshi et al., PLOS ONE, 2020.

※現在作成中です。

※現在作成中です。