枯草菌

枯草菌（Bacillus subtilis）は、干し草菌または草菌とも呼ばれ、グラム陽性、カタラーゼ陽性の細菌で、土壌や反芻動物、ヒト、海綿動物の消化管に生息しています。 ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

枯草菌は運動性があり、アミラーゼ陽性である。^{[ 7 ] [ 8 ]}糖類とタンパク質を含む細胞外ポリマーマトリックスの形成によりバイオフィルム を形成する。 ^{[ 9 ]}

バチルス属 に属するB. subtilisは桿菌で、丈夫な保護胞子を形成できるため、過酷な環境条件にも耐えることができます。歴史的には偏性好気性菌として分類されてきましたが、通性嫌気性菌であるという証拠も存在します。B . subtilisは最もよく研​​究されている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ためのモデル生物と考えられています。分泌酵素生産の分野では細菌の代表格であり、バイオテクノロジー企業によって工業規模で使用されています。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}  

枯草菌はグラム陽性の桿菌で、カタラーゼ陽性です。元々はクリスティアン・ゴットフリート・エーレンベルクによってビブリオ・サブチリスと名付けられましたが^{[ 10 ]}、1872年にフェルディナント・コーンによってバチルス・サブチリスと改名されました^{[ 11 ]}（subtilisはラテン語で「細い、薄い、細長い」という意味です）。B . subtilisの細胞は通常桿状で、長さは約4～10マイクロメートル（μm）、直径は約0.25～1.0μm、定常期の細胞体積は約4.6 fLです^{[ 4 ] [ 12 ] 。} 

バチルス属の他のメンバーと同様に、極端な温度や乾燥の環境条件に耐えるために内生胞子を形成することができる。 ^{[ 13 ]} B.  subtilisは通性嫌気性菌であり^{[ 4 ] [ 14 ]} 、 1998 年までは絶対好気性菌と考えられていた。B .  subtilisは鞭毛が非常に発達しており、液体中を素早く移動することができる。

枯草菌は遺伝子操作に非常に適していることが証明されており、特に細胞分化の単純化された例である胞子形成の研究において、実験室研究のモデル生物として広く採用されている。実験室モデル生物としての人気という点では、広く研究されているグラム陰性細菌である大腸菌のグラム陽性菌版とみなされることが多い。^{[ 15 ]}インドのケララ州は、この微生物を州の微生物として宣言した。^{[ 16 ]}

枯草菌のコロニー、形態、生理、生化学的特徴を以下の表に示す。^{[ 4 ]}

注：+ = 正、– = 負

この種は土壌の上層部によく見られ、ヒトの腸内常在菌と考えられています。2009年の研究では、土壌中の胞子密度（1グラムあたり約10⁶個）とヒトの糞便中の胞子密度（1グラムあたり約^10⁴個）を比較しました。ヒトの腸内で見つかった胞子の数は、食品汚染による摂取だけでは説明できないほど多かったのです。^{[ 17 ]}ミツバチの生息地によっては、B. subtilisがミツバチの腸内細菌叢に現れることがあります。^{[ 18 ]} B. subtilisは海洋環境でも見られます。^{[ 4 ] [ 5 ]}  

いくつかの証拠は、B.  subtilisが腐生性であることを示唆している。この細菌は有機物が豊富な土壌で栄養成長を示し、栄養が枯渇すると胞子を形成する。^{[ 19 ]}さらに、B.  subtilis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、これが腸内細菌叢によく見られる理由を説明できるかもしれない。^{[ 19 ]}おそらく、 B.  subtilisのバイオフィルムを持つ植物を食べた動物は、消化管内で細菌の増殖を促進する可能性がある。B . subtilisのライフサイクル全体は消化管内で完了することができ、これは細菌が植物の摂取によって腸に入り、腸内で増殖する能力の結果としてそこに留まるという考えを裏付けている。^{[ 19 ]} 

胞子形成中の枯草菌 

枯草菌の別の内生胞子染色 

枯草菌は、対称分裂して 2 つの娘細胞を作る(二分裂) か、非対称分裂して、数十年生存可能で、干ばつ、塩分、極端なpH、放射線、溶剤などの不利な環境条件に耐性のある単一の内生胞子を生成することができます。内生胞子は、栄養ストレス時に加水分解を利用して形成され、環境条件が有利になるまで生物が環境中に生存することを可能にします。胞子形成のプロセスの前に、細胞は鞭毛を生成して運動性になったり、環境から DNA を取り込んだり、抗生物質を生成したりすることがあります。^{[ 4 ] [ 5 ]}これらの反応は、より有利な環境を求めて栄養素を探し出す試みと見なされ、細胞が新しい有益な遺伝物質を利用できるようにしたり、単に競争相手を殺したりします。

栄養不足などのストレス条件下では、枯草菌は胞子 形成の過程を経る。この過程は非常によく研究されており、胞子形成の研究のためのモデル生物として利用されてきた。^{[ 20 ]}

胞子形成

枯草 菌の胞子形成は飢餓によって誘導されるが、栄養制限によって成長が遅くなったときに胞子形成の発生プログラムがすぐに開始されるわけではない。化学走性によって新しい食物源を探すための鞭毛運動の活性化、競合する土壌微生物を破壊するための抗生物質の産生、細胞外タンパク質や多糖類を回収するための加水分解酵素の分泌、または消費のために外来DNAを取り込むための「コンピテンス」の誘導など、さまざまな代替応答が起こり得る。その際、新しい遺伝情報が安定的に組み込まれるという副作用が生じることもある。胞子形成は飢餓に対する最後の手段であり、代替応答が不十分であることが証明されるまで抑制される。それでもなお、染色体の完全性、染色体複製状態、ク​​レブス回路の機能など、特定の条件を満たす必要がある。^{[ 21 ]}

B.  subtilisが胞子形成を開始すると、シグマ因子シグマFが分泌される。^{[ 22 ]}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、染色体がゆっくりと前胞子内へ移動する。染色体コピーの3分の1が前胞子内にあり、残りの3分の2が母細胞内にあるとき、前胞子内の染色体断片にはシグマFの遺伝子座が含まれており、前胞子内で発現が始まる。^{[ 23 ]}母細胞内でのシグマFの発現を防ぐために、spoIIABによってコードされる抗シグマ因子^{[ 24 ]}が発現する。前胞子内に残存する抗シグマ因子（そうでなければ胞子形成を妨げる）は、spoIIAAによってコードされる抗抗シグマ因子によって阻害される。^{[ 24 ]} SpoIIAAはシグマ因子の遺伝子座の近くに位置しているため、前胞子で常に発現しています。spoIIAB遺伝子座はシグマFおよびspoIIAA遺伝子座の近くには位置していないため、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ます。母細胞に残存するspoIIAAはspoIIABを抑制しますが、spoIIABは常に置き換えられるため、胞子形成を抑制し続けます。染色体全体が前胞子に局在すると、spoIIABはシグマFを抑制できます。したがって、枯草菌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ます。 

胞子形成には多くの時間とエネルギーが必要となるため^{[ 25 ]} 、細胞が周囲環境を効率的に監視し、胞子形成が最も適切なタイミングでのみ開始されるようにすることが極めて重要です。誤った判断は壊滅的な結果を招く可能性があります。栄養細胞は環境条件が厳しすぎると死滅し、栄養成長に適した環境で胞子を形成する細菌は競争に敗れてしまいます^{[ 26 ]} 。つまり、胞子形成の開始は、効率的な制御のための多数のチェックポイントを備えた非常に厳密に制御されたネットワークなのです。

枯草菌は、細菌の染色体複製を研究するためのモデル生物です。単一の環状染色体の複製は、単一の遺伝子座である複製起点（oriC）で開始されます。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の方向に進み続けます。染色体複製は、フォークが染色体マップ上で複製起点の反対側に位置する終点領域に到達すると完了します。終点領域には、複製停止を促進するいくつかの短いDNA配列（Ter部位）が含まれています。特定のタンパク質がDNA複製のすべてのステップを媒介します。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ります。複製の開始、伸長、および終結を促進する基本的な構成要素はよく保存されていますが、いくつかの重要な相違点が見られます（例えば、一方の細菌には他方の細菌で必須の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実行するために採用してきたメカニズムと戦略の多様性を強調している。^{[ 27 ]}

枯草菌には約4,100個の遺伝子がある。そのうち、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関与し、5分の1が細胞外膜の合成と細胞の形状と分裂の決定に関与し、10分の1が細胞エネルギーに関係している。^{[ 28 ]}

B.  subtilis亜株 QB928の完全なゲノム配列は、4,146,839 塩基対の DNA と 4,292 個の遺伝子から構成されています。QB928 株は、さまざまなマーカー [aroI(aroK)906 purE1 dal(alrA)1 trpC2] が存在するため、遺伝学的研究で広く使用されています。 ^{[ 29 ]}

2009年には、Bsr RNAを含むいくつかの非コードRNAが枯草 菌ゲノムで特徴づけられた。^{[ 30 ]}マイクロアレイに基づく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。^{[ 31 ]} 

B. subtilisに存在する小さな RNAであるFsrA は、鉄節約応答のエフェクターであり、鉄の生物学的利用能が低いときに鉄含有タンパク質を下方制御する働きをする。 ^{[ 32 ] [ 33 ]}

有望な魚類プロバイオティクスであるB.  subtilis株WS1Aは、 Aeromonas veroniiに対する抗菌活性を有し、Labeo rohitaにおける運動性Aeromonas敗血症を抑制する。de novoアセンブリの結果、染色体サイズは4,148,460 bpと推定され、4,288個のオープンリーディングフレームが存在する。^{[ 4 ] [ 5 ]} B. subtilis株WS1Aのゲノムには、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をコードする遺伝子（ilvD）や炭素利用に関わるタンパク質をコードする遺伝子（ pta）など、多くの潜在的な遺伝子が含まれている。^{[ 4 ] [ 5 ]} 

計算代謝モデリングを用いた研究により、枯草菌における遺伝子の必須性は環境条件によって変化することが示されている。フラックスバランス解析 シミュレーションによると、一部の遺伝子は成長に常に必須である一方、他の遺伝子は栄養制限や酸素制限下で条件依存的な必須性を示すことが示されている。^{[ 34 ]}

グルコースや窒素制限などの栄養制限条件下では、代謝活動はバイオマス生産と維持プロセスの間でシフトし、成長結果が変化する。これらの知見は、 B. subtilisの代謝的頑健性は、環境ストレス下での急速な成長と長期生存の間のトレードオフを伴うことを示唆している。 ^{[ 35 ]}

栄養制限に対応するため、枯草菌は代謝の多様化や長期ストレス下での内生胞子形成など、適応的な生理的反応を開始することもできる。

自然細菌形質転換は、周囲の培地を介してある細菌から別の細菌へDNAが伝達されることを伴う。枯草菌で は、伝達されるDNAの長さは1,271 kb（100万塩基 以上）を超える。 ^{[ 36 ]}伝達されるDNAは二本鎖DNAである可能性が高く、多くの場合、染色体全長4,215 kbの3分の1以上である。^{[ 37 ]}受容細胞の約7～9%が染色体全体を取り込むようである。^{[ 38 ]}  

受容細菌が結合し、同種の別の細菌から外来DNAを取り込み、それを染色体に組み込むためには、コンピテンスと呼ばれる特別な生理状態に入る必要がある。枯草菌の コンピテンスは、対数増殖期の終わりに、特にアミノ酸制限条件下で誘導される。^{[ 39 ]}このような半飢餓状態のストレス条件下では、細胞は通常、染色体のコピーを1つしか持たず、DNA損傷が増加している可能性が高い。形質転換が枯草菌のDNA 損傷修復のための適応機能であるかどうかをテストするために、損傷剤として紫外線を用いた実験が行われた。^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} これらの実験により、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至った。^{[ 43 ]}

自然形質転換能は実験室の枯草菌サンプルや野外分離株では一般的であるが、 産業的に重要な一部の株、例えば枯草菌（ 納豆菌）は、外来DNAを分解する制限修飾系が存在するため、DNAを取り込むことに消極的である。I型制限修飾系エンドヌクレアーゼに欠陥のある 枯草菌（納豆菌）変異株は、接合実験において接合性プラスミドの受容体として機能することができ、この特定の株のさらなる遺伝子工学への道を開く。^{[ 44 ]}

研究者たちは、より危険性の低い物質の使用においてグリーンケミストリーを採用し、コストを削減することで、食品や医薬品産業に役立つ化学物質を合成する自然の方法を模倣してきました。これは、2本のDNA鎖が相補的な塩基対を形成する前に、「短いDNA鎖に分子を便乗させる」ことによって行われます。各鎖は、特定の目的分子を運ぶことができ、対応する2本のDNA鎖がジッパーのように結合すると、特定の化学反応が同時に起こります。これにより、別の目的分子が、これらのDNA相補的結合に運ばれる分子間で制御された隔離された反応で互いに反応することができます。多段階の複製プロセスを自然に実行する特定の細菌にこの方法を使用することで、研究者たちは、これらの追加された分子が酵素や二次反応に使用される他の分子と相互作用するのを、カプセルのように扱うことで同時に進めることができます。これは、細菌が自身のDNA複製プロセスを実行する方法と似ています。^{[ 45 ]}

• アデニルスクシン酸リアーゼ欠損症

• ガスリーテスト
• YlbHリーダー

• ウィキメディア・コモンズにある枯草菌（Bacillus subtilis）関連のメディア
• Subti Wiki 「枯草菌の全遺伝子に関する最新情報」
• EPA.gov に掲載されている枯草菌の最終リスク評価。 2015年9月9日にオリジナルからアーカイブされました。
• 枯草菌ゲノムブラウザ（2021年3月21日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• Bac Dive（細菌多様性メタデータベース）における枯草菌のタイプ株