枯草菌
Bacillus subtilis/ja
| Bacillus subtilis/ja | ||
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| [[Transmission electron microscopy/ja | TEM]]写真である。枯草菌細胞の断面の顕微鏡写真（スケールバー＝200nm） | |
Scientific classification 
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| Domain: | Bacteria | |
| Phylum: | Bacillota | |
| Class: | Bacilli | |
| Order: | Bacillales | |
| Family: | Bacillaceae | |
| Genus: | Bacillus | |
| Species: | subtilis
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| Binomial name | ||
| subtilis (Ehrenberg 1835)
Cohn 1872 | ||
| Synonyms | ||
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枯草菌（Bacillus subtilis）は、hay bacillusまたは、grass bacillusとして知られ、グラム陽性でカタラーゼ陽性の細菌であり、土壌や反芻動物、ヒト、海綿の消化管に生息する。バチルス属の一員として、枯草菌は棒状であり、強靭で保護的な内胞子を形成することができるため、極端な環境条件にも耐えることができる。枯草菌は歴史的に偏性好気性菌に分類されてきたが、通性嫌気性菌であるという証拠も存在する。枯草菌は最もよく研究されたグラム陽性菌であり、細菌の染色体複製と細胞分化を研究するモデル生物であると考えられている。分泌型酵素産生のチャンピオン菌のひとつであり、バイオテクノロジー企業によって工業的規模で利用されている。
解説
枯草菌はグラム陽性の細菌で、棒状でカタラーゼ陽性である。当初はChristian Gottfried EhrenbergによってVibrio subtilisと命名され、1872年にFerdinand CohnによってBacillus subtilisと改名された（subtilisはラテン語で「細い、薄い、細長い」を意味する）。枯草菌の細胞は典型的な棒状で、長さ約4-10μm、直径0.25-1.0μm、定常期の細胞容積は約4.6fLである。
他のバチルス属のメンバーと同様に、温度や乾燥などの極端な環境条件に耐えるために内胞子を形成することができる。枯草菌は通性嫌気性菌であり、1998年までは偏性好気性菌と考えられていた。枯草菌は鞭毛虫が多く、液体中を素早く移動する能力を持つ。
枯草菌は遺伝子操作に非常に従順であることが証明され、実験室での研究、特に細胞分化の単純化された例である胞子形成のモデル生物として広く採用されるようになった。実験室のモデル生物としての人気という点では、枯草菌は、広く研究されているグラム陰性細菌である大腸菌と同等のグラム陽性細菌と見なされることが多い。
特徴
枯草菌のコロニー、形態学的、生理学的、生化学的特性を下表に示す。
| テストタイプ | テスト | 特徴 |
| コロニー特徴 | サイズ | ミディアム |
| タイプ | ラウンド | |
| 色 | 白っぽい | |
| 形 | 凸型 | |
| 形態学的特徴 | 形 | 棒状 |
| 生理的特徴 | 運動能力 | + |
| 6.5%NaClでの成長 | + | |
| 生化学的特性 | グラム染色 | + |
| オキシダーゼ | - | |
| カタラーゼ | + | |
| 酸化性-発酵性 | 発酵性 | |
| 運動能力 | - | |
| メチルレッド | - | |
| フォーゲス・プロスカウアー | + | |
| インドール | - | |
| H2S生成 | + | |
| ウレアーゼ | - | |
| 硝酸塩還元酵素 | + | |
| β-ガラクトシダーゼ | + | |
| 加水分解 | ゼラチン | + |
| エースクリン | + | |
| カゼイン | + | |
| トゥイーン40 | + | |
| トゥイーン60 | + | |
| トゥイーン80 | + | |
| 酸生成 | グリセロール | + |
| ガラクトース | + | |
| D-グルコース | + | |
| D-フルクトース | + | |
| D-マンノース | + | |
| マンニトール | + | |
| N-アセチルグルコサミン | + | |
| アミグダリン | + | |
| マルトース | + | |
| D-メリビオース | + | |
| D-トレハロース | + | |
| グリコーゲン | + | |
| D-トゥラノーズ | + |
注：＋＝プラス、-＝マイナス
生息地
この種は土壌の上層に多く生息し、枯草菌はヒトの正常な腸内常在菌であると考えられている。2009年の研究では、土壌に含まれる芽胞の密度（1グラムあたり約106個の芽胞）とヒトの糞便に含まれる芽胞の密度（1グラムあたり約104個の芽胞）を比較した。ヒトの腸内で発見された芽胞の数は、食物汚染による消費のみに起因するには多すぎた。いくつかのハチの生息地では、ミツバチの腸内細菌叢に枯草菌が現れる。枯草菌は海洋環境にも存在する。
枯草菌が腐生性であることを示す証拠がある。研究によると、この細菌は有機物の豊富な土壌で植物成長を示し、栄養分が枯渇すると胞子が形成されることが示されている。さらに、枯草菌は植物の根にバイオフィルムを形成することが示されており、腸内細菌叢によく見られる理由も説明できるかもしれない。おそらく、枯草菌のバイオフィルムを持つ植物を食べた動物は、消化管内でこの細菌の増殖を促進することができるのだろう。枯草菌のライフサイクル全体が消化管内で完結することが示されており、このことは、この細菌が植物の摂取によって腸内に入り、腸内で増殖する能力の結果として存在し続けるという考えに信憑性を与えている。
繁殖
枯草菌は対称的に分裂して2つの娘細胞を作る（二元分裂）か、非対称的に分裂して単一の内胞子を作り、数十年間生存し続けることができ、干ばつ、塩分、極端なpH、放射線、溶媒などの好ましくない環境条件に耐性を持つ。胞子嚢は栄養ストレスのある時に、加水分解を利用して形成され、条件が好転するまで生物が環境中に留まることを可能にする。胞子形成のプロセスの前に、細胞は鞭毛を産生することによって運動性になったり、環境からDNAを取り込んだり、抗生物質を産生したりする。これらの反応は、より好都合な環境を求めて栄養を探し求め、細胞が新たな有益な遺伝物質を利用できるようにする試み、あるいは単に競合を退治する試みと見なされる。
栄養欠乏などのストレス条件下では、枯草菌は胞子形成のプロセスを経る。この過程は非常によく研究されており、胞子形成を研究するためのモデル生物となっている。
胞子形成
枯草菌が胞子形成に入ると、シグマ因子シグマFが分泌される。この因子は胞子形成を促進する。胞子形成隔壁が形成され、染色体が前胞子の中にゆっくりと移動する。染色体の1コピーの3分の1が前胞体にあり、残りの3分の2が母細胞にあるとき、前胞体の染色体断片にはシグマFの遺伝子座があり、前胞体で発現が始まる。母細胞でのシグマFの発現を防ぐために、spoIIABがコードするアンチシグマ因子が発現する。前胞子に残存するアンチシグマ因子（そうでなければ胞子形成を阻害する）は、spoIIAAによってコードされるアンチシグマ因子によって阻害される。SpoIIAAはシグマ因子の遺伝子座の近くに位置するため、前胞子で常に発現している。spoIIAB遺伝子座はシグマF遺伝子座とspoIIAA遺伝子座の近くにはないので、母細胞でのみ発現し、その細胞での胞子形成を抑制し、前胞子での胞子形成を継続させる。母細胞に残存するspoIIAAはspoIIABを抑制するが、spoIIABは常に置換されるため、胞子形成を抑制し続ける。したがって、枯草菌の染色体の遺伝的非対称性とシグマF、spoIIAB、spoIIAAの発現が、枯草菌の胞子形成を決定している。
染色体の複製
枯草菌は細菌の染色体複製の研究に用いられるモデル生物である。単一環状染色体の複製は、一つの遺伝子座である起点（oriC）で始まる。） 複製は双方向に進行し、2つの複製フォークが染色体に沿って時計回りと反時計回りに進行する。染色体の複製は、フォークが染色体地図上で原点と反対側に位置する終端領域に達すると完了する。終端領域には、複製停止を促すいくつかの短いDNA配列（Ter部位）がある。特定のタンパク質がDNA複製のすべてのステップを仲介する。枯草菌と大腸菌の染色体DNA複製に関与するタンパク質を比較すると、類似点と相違点が明らかになる。複製の開始、伸長、終結を促進する基本的な構成要素はよく保存されているが、いくつかの重要な違いが見られる（例えば、一方の細菌にはもう一方の細菌に必須なタンパク質が欠けているなど）。これらの違いは、様々な細菌種がゲノムの複製を行うために採用してきた機構や戦略の多様性を強調している。
ゲノム
枯草菌には約4,100の遺伝子がある。このうち、必須であることが示されたのはわずか192個で、さらに79個が必須であると予測された。必須遺伝子の大部分は、細胞代謝の比較的少数の領域に分類され、約半分が情報処理に、5分の1が細胞外皮の合成と細胞の形と分裂の決定に、そして10分の1が細胞エネルギーに関係していた。
QB928株の全ゲノム配列は4,146,839塩基対、4,292遺伝子を持つ。QB928株は様々なマーカー[aroI(aroK)906 purE1 dal(alrA)1 trpC2]が存在するため、遺伝学的研究に広く用いられている。
2009年、枯草菌ゲノムにおいて、いくつかのノンコーディングRNAが明らかにされた。 マイクロアレイを用いた比較ゲノム解析により、枯草菌のメンバーはかなりのゲノム多様性を示すことが明らかになった。
FsrAは枯草菌に存在する低分子RNAである。FsrAはエフェクターであり、鉄の生物学的利用能が低い時に鉄含有タンパク質をダウンレギュレートする。
魚類のプロバイオティクスとして期待されるBacillus subtilis株WS1Aは、Aeromonas veroniiに対する抗菌活性を有し、Labeo rohitaの運動性Aeromonas敗血症を抑制した。de novoアセンブリーの結果、染色体サイズは4,148,460 bp、オープンリーディングフレームは4,288本と推定された。枯草菌WS1A株ゲノムには、リボフラビン、ビタミンB6、アミノ酸の生合成に関与するタンパク質（ilvD）や炭素利用に関与するタンパク質（pta）など、多くの潜在的遺伝子が含まれている。
形質転換
細菌の自然形質転換は、ある細菌から別の細菌へ、周囲の培地を通してDNAが移行することを含む。枯草菌では、転移されたDNAの長さは1,271kb（100万塩基以上）以上である。転移DNAはおそらく二本鎖DNAであり、染色体全長4,215kbの3分の1以上であることが多い。レシピエント細胞の約7-9％が染色体全体を占めるようである。
レシピエントとなる細菌が、同種の別の細菌から外来DNAを取り込み、染色体に組み換えるためには、コンピテンスと呼ばれる特別な生理的状態にならなければならない。 枯草菌のコンピテンスは、対数増殖の終わり頃、特にアミノ酸が制限された条件下で誘導される。このようなストレスの多い半絶食条件下では、細胞は通常染色体を1コピーしか持たず、DNA損傷が増加する可能性が高い。形質転換がDNA損傷を修復する枯草菌の適応機能であるかどうかを調べるため、紫外線を損傷剤として用いた実験が行われた。これらの実験から、DNAの取り込みを伴うコンピテンスはDNA損傷条件によって特異的に誘導され、形質転換はDNA損傷の組換え修復プロセスとして機能するという結論に達した。
天然のコンピテントな状態は実験室の枯草菌や野外分離株では一般的であるが、工業的に重要な菌株、例えば枯草菌（納豆菌）の中には、外来DNAを分解する制限修飾系の存在により、DNAの取り込みに消極的なものがある。I型制限修飾系エンドヌクレアーゼに欠損を持つ枯草菌（納豆菌）変異体は、交配実験において共役プラスミドのレシピエントとして働くことができ、この特定の枯草菌株のさらなる遺伝子工学への道を開いた。
グリーンケミストリーを採用することで、危険性の少ない材料を使用し、コストを節約しながら、研究者たちは、食品や医薬品産業に有用な化学物質を合成する自然の方法を模倣してきた。 それぞれのDNA鎖は、対応する2本のDNA鎖がジッパーのように結合するときに、同時に特定の化学反応を起こす特定の分子を運び、DNAの相補的な結合に運び込まれた分子同士が、制御された孤立した反応を起こすようにする。 この方法を、多段階の複製過程を自然にたどるある種のバクテリアに用いることで、研究者たちは、バクテリア自身がDNAの複製過程を行うのと同様に、カプセルのように扱うことで、これらの付加された分子が酵素や二次反応に使われる他の分子と相互作用するのを同時に進めることができる。
用途
20世紀
枯草菌の培養液は、抗生物質が登場する以前には、消化管や尿路疾患の治療を助ける免疫賦活剤として世界的に普及していた。1950年代を通じて代替医療として使用されており、消化されると広範囲の免疫活性を顕著に刺激し、特定の抗体（IgM、IgG、IgA）の分泌の活性化やCpGジヌクレオチドの放出による白血球のインターフェロン IFN-α/IFNγ産生活性、サイトカインの放出を含む免疫活性を引き起こし、腫瘍細胞への細胞毒性の発達に重要な働きをする。1946年からアメリカとヨーロッパで免疫刺激補助剤として販売され、ロタウイルスや赤痢などの腸管および尿路疾患の治療に使用されました。1966年、米軍はニューヨーク市の地下鉄駅の格子に5日間bacillus subtilisを撒き、不思議な塵に覆われた際の人々の反応を観察した。その生存能力から、今もそこに存在していると考えられている。
抗生物質バシトラシンは、1945年に「トレイシーI」と名付けられたバチルス・リシェニフォルミスの一種から初めて単離された。現在でも、液体増殖培地の容器でこの品種を増殖させることにより、商業的に製造されている。時間の経過とともに、細菌はバシトラシンを合成し、培地中に抗生物質を分泌する。バシトラシンはその後、化学的処理によって培地から抽出される。
1960年代以降、枯草菌は宇宙飛行実験の実験種として使われてきた歴史がある。その内胞子は、太陽紫外線から保護するダスト粒子によってコーティングされていれば、宇宙空間で6年間生存することができる。これは宇宙生物学放射線アセンブリ、EXOSTACK、EXPOSEなどの宇宙空間での極限環境生存指標として使用されてきた。
枯草菌の野生型天然分離株は、突然変異誘発と淘汰の家畜化過程を経た実験室株と比較して、作業が困難である。これらの菌株は、しばしば形質転換（環境DNAの取り込みと統合）、増殖の能力が向上しており、「野生」で必要とされる能力を失っている。 そして、この説明に当てはまる菌株は何十種類も存在するが、「168」と指定された菌株が最も広く使われている。168株は枯草菌マールブルグ株のX線突然変異誘発の後に単離されたトリプトファンオーソトロフ菌であり、形質転換効率が高いため研究に広く用いられている。
バチルス・グロビギイ（Bacillus globigii）は、近縁種であるが現在では「バチルス・アトロファエウス」として知られている系統学的に異なる種であり、プロジェクトSHAD（別名プロジェクト112）において生物兵器模擬物質として使用された。その後のゲノム解析により、これらの研究で使用された菌株は、異常な高率の胞子形成を示す菌株を意図的に濃縮した産物であることが判明した。
以前は「納豆菌」として知られていた枯草菌の菌株は、日本の食品納豆や韓国の同様の食品チョングッジャンの商業生産に使用されている。
21st century
- As a model organism, B. subtilis is commonly used in laboratory studies directed at discovering the fundamental properties and characteristics of Gram-positive spore-forming bacteria. In particular, the basic principles and mechanisms underlying formation of the durable endospore have been deduced from studies of spore formation in B. subtilis.
- Its surface-binding properties play a role in safe radionuclide waste [e.g. thorium (IV) and plutonium (IV)] disposal.
- Due to its excellent fermentation properties, with high product yields (20 to 25 gram per litre) it is used to produce various enzymes, such as amylase and proteases.
- B. subtilis is used as a soil inoculant in horticulture and agriculture.
- It may provide some benefit to saffron growers by speeding corm growth and increasing stigma biomass yield.
- It is used as an "indicator organism" during gas sterilization procedures, to ensure a sterilization cycle has completed successfully. Specifically B. subtilis endospores are used to verify that a cycle has reached spore-destroying conditions.
- B. subtilis has been found to act as a useful bioproduct fungicide that prevents the growth of Monilinia vaccinii-corymbosi, a.k.a. the mummy berry fungus, without interfering with pollination or fruit qualities.
- Both metabolically active and non-metabolically active B. subtilis cells have been shown to reduce gold (III) to gold (I) and gold (0) when oxygen is present. This biotic reduction plays a role in gold cycling in geological systems and could potentially be used to recover solid gold from said systems.
Novel and artificial substrains
- Novel strains of B. subtilis that could use 4-fluorotryptophan (4FTrp) but not canonical tryptophan (Trp) for propagation were isolated. As Trp is only coded by a single codon, there is evidence that Trp can be displaced by 4FTrp in the genetic code. The experiments showed that the canonical genetic code can be mutable.
- Recombinant strains pBE2C1 and pBE2C1AB were used in production of polyhydroxyalkanoates (PHA), and malt waste can be used as their carbon source for lower-cost PHA production.
- It is used to produce hyaluronic acid, which is used in the joint-care sector in healthcare and cosmetics.
- Monsanto has isolated a gene from B. subtilis that expresses cold shock protein B and spliced it into their drought-tolerant corn hybrid MON 87460, which was approved for sale in the US in November 2011.
- A new strain has been modified to convert nectar into honey by secreting enzymes.
Safety
In other animals
Bacillus subtilis was reviewed by the US FDA Center for Veterinary Medicine and found to present no safety concerns when used in direct-fed microbial products, so the Association of American Feed Control Officials has listed it approved for use as an animal feed ingredient under Section 36.14 "Direct-fed Microorganisms". The Canadian Food Inspection Agency Animal Health and Production Feed Section has classified Bacillus culture dehydrated approved feed ingredients as a silage additive under Schedule IV-Part 2-Class 8.6 and assigned the International Feed Ingredient number IFN 8-19-119. On the other hand, several feed additives containing viable spores of B. subtilis have been positively evaluated by the European Food Safety Authority, regarding their safe use for weight gaining in animal production.
In humans
Bacillus subtilis spores can survive the extreme heat generated during cooking. Some B. subtilis strains are responsible for causing ropiness or rope spoilage – a sticky, stringy consistency caused by bacterial production of long-chain polysaccharides – in spoiled bread dough and baked goods. For a long time, bread ropiness was associated uniquely with B. subtilis species by biochemical tests. Molecular assays (randomly amplified polymorphic DNA PCR assay, denaturing gradient gel electrophoresis analysis, and sequencing of the V3 region of 16S ribosomal DNA) revealed greater Bacillus species variety in ropy breads, which all seems to have a positive amylase activity and high heat resistance.
B. subtilis CU1 (2 × 109 spores per day) was evaluated in a 16-week study (10 days administration of probiotic, followed by 18 days wash-out period per each month; repeated same procedure for total 4 months) to healthy subjects. B. subtilis CU1 was found to be safe and well tolerated in the subjects without any side effects.
Bacillus subtilis and substances derived from it have been evaluated by different authoritative bodies for their safe and beneficial use in food. In the United States, an opinion letter issued in the early 1960s by the Food and Drug Administration (FDA) designated some substances derived from microorganisms as generally recognized as safe (GRAS), including carbohydrase and protease enzymes from B. subtilis. The opinions were predicated on the use of nonpathogenic and nontoxicogenic strains of the respective organisms and on the use of current good manufacturing practices. The FDA stated that the enzymes derived from the B. subtilis strain were in common use in food prior to January 1, 1958, and that nontoxigenic and nonpathogenic strains of B. subtilis are widely available and have been safely used in a variety of food applications. This includes consumption of Japanese fermented soy bean, in the form of Natto, which is commonly consumed in Japan, and contains as many as 108 viable cells per gram. The fermented beans are recognized for their contribution to a healthy gut flora and vitamin K2 intake; during this long history of widespread use, natto has not been implicated in adverse events potentially attributable to the presence of B. subtilis. The natto product and the B. subtilis natto as its principal component are FOSHU (Foods for Specified Health Use) approved by the Japanese Ministry of Health, Labour, and Welfare as effective for preservation of health.
Bacillus subtilis has been granted "Qualified Presumption of Safety" status by the European Food Safety Authority.
こちらも参照
外部リンク
Media related to Bacillus subtilis/ja at Wikimedia Commons- SubtiWiki "up-to-date information for all genes of Bacillus subtilis"
- Bacillus subtilis Final Risk Assessment on EPA.gov. Archived from the original on 2015-09-09.
- Bacillus subtilis genome browser
- Type strain of Bacillus subtilis at BacDive - the Bacterial Diversity Metadatabase
