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グラム陰性菌は、グラム陽性菌とは異なり、細菌の識別に用いられるグラム染色法で使用されるクリスタルバイオレット染色を保持しない細菌である。 [ 1 ]グラム陰性菌の特徴は、細胞膜が内側（細胞質）膜と外側膜の間に挟まれた薄いペプチドグリカン細胞壁で構成されていることである。[ 2 ]これらの細菌は、地球上の生命を支えるすべての環境に生息している。
このカテゴリーには、モデル生物で ある大腸菌のほか、緑膿菌、クラミジア・トラコマチス、ペスト菌などの様々な病原性細菌が含まれます。これらの細菌は、多くの抗生物質（ペニシリンを含む）、通常は細胞内膜を損傷する洗剤、動物が自然免疫系の一部として産生する抗菌酵素リゾチームに対する保護バリアとして機能する外膜を持つため、医療分野で大きな課題となっています。さらに、この膜の外側の層には複雑なリポ多糖（LPS）が含まれており、その脂質A成分は、細菌が免疫細胞によって溶解される際に毒性反応を引き起こす可能性があります。この反応は敗血症性ショックにつながり、低血圧、呼吸不全、酸素供給の低下、乳酸アシドーシスを引き起こす可能性があります。[ 3 ]
グラム陰性菌を標的とする抗生物質には、アミノペニシリン、ウレイドペニシリン、セファロスポリン、β-ラクタム-β-ラクタマーゼ阻害剤配合剤（ピペラシリン-タゾバクタムなど）、葉酸拮抗薬、キノロン、カルバペネムなど、いくつかの種類が開発されている。これらの抗生物質の多くは、グラム陽性菌にも有効である。グラム陰性菌を特異的に標的とする抗生物質には、アミノグリコシド、モノバクタム（アズトレオナムなど）、シプロフロキサシンなどがある。
従来のグラム陰性菌（LPS-diderm）は、以下の特徴を示します。
しかし、LPS-diderm グループ (以前は「Hydrobacteria」と呼ばれていたPseudomonadati界に相当) は、染色陰性を示す唯一の細菌ではありません。[ 4 ] このグループに属さないMycobacterium (あるいはむしろMycobacterialesの大部分) は、ミコール酸でできた細胞壁を持つ外細胞膜を独自に進化させてきました。[ 5 ]これにより、非常に異なる構造と特徴を持つようになりました。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
多くのグラム陰性細菌において、IgaA膜タンパク質は、細胞膜の完全性を維持するのに役立つ重要な細胞膜ストレス応答経路であるRcsリン酸リレーシステムを負に制御する。
細胞の形状とともに、グラム染色は迅速な診断ツールであり、かつては細菌の亜門で種を分類するために使用されていました。 歴史的に、モネラ界はグラム染色に基づいて、Firmicutes (+)、Gracillicutes (−)、Mollicutes (0)、Mendocutes (var.)の 4 つの門に分けられました。[ 10 ] 1987 年以降、グラム陰性細菌の単系統性は分子生物学的研究によって否定されています。[ 11 ]
現在の知識では、グラム陰性細菌は大きく 2 つのグループと、その中間的なグループに分けられます。LPS 外膜を持つより「従来型」のものは共通の祖先を持ち、シュードモナス界に分類されます。[ 4 ]従来型ではないものは、ミコール酸細胞壁と外膜を持つマイコバクテリア目です。 [ 5 ]界と目はそれぞれ単系統群（あるいはむしろ、全系統群ではない）ですが、「LPS 外膜」および「ミコール酸外膜」グループはそうではありません。なぜなら、界と目の一部の細菌はグラム陰性に染色されないからです。これらについては次のセクションで説明します。
細菌は、グラム染色反応に基づいてグラム陽性菌とグラム陰性菌に伝統的に分類されます。膜が1枚しかないグラム陽性菌は単膜細菌とも呼ばれ、膜が2枚あるグラム陰性菌は二膜細菌とも呼ばれます。従来、これらのグループは系統を表していると考えられていました。つまり、余分な膜は一度だけ進化し、グラム陰性菌はグラム陽性菌よりも互いに近縁であると考えられていました。これは多くの場合正しいのですが、分類システムは場合によっては破綻し、系統のグループ分けが染色結果と一致しません。[ 12 ] [ 13 ] [ 6 ] [ 7 ]したがって、グラム染色は細菌の系統関係を評価するために信頼できる方法ではありません。しかしながら、染色は細胞膜の構成に関する信頼できる情報を提供し、外側の脂質膜の有無を区別することができます。[ 12 ] [ 14 ]
構造的に異なるこれら 2 つの原核生物群のうち、単層原核生物が祖先であると考えられている。グラム陽性菌は抗生物質に最も感受性が高く、グラム陰性菌は一般的に抗生物質に耐性があることなど、さまざまな観察に基づいて、グラム陰性菌 (二層) の外膜は抗生物質の選択圧に対する保護機構として進化したと提唱されている。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 8 ]厚いペプチドグリカン層の存在によりグラム陽性に染色されるが、外膜も持つDeinococcusなどの一部の細菌は、単層 (グラム陽性) 細菌と二層 (グラム陰性) 細菌の間の移行の中間体であると示唆されている。[ 12 ] [ 8 ]
従来のLPS二重膜を持つグラム陰性細菌群（例：Pseudomonadota、Aquificota、Chlamydiota、Bacteroidota、Chlorobiota、Cyanobacteria、Fibrobacterota、Verrucomicrobiota、Planctomycetota、Spirochaetota、Acidobacteriota）は、HSP60（GroEL ）タンパク質中のいくつかの保存された特徴的な挿入・欠失（CSI）によって独自に識別されます。従来のリポ多糖を含むグラム陰性細菌門のすべての配列決定された種にこのCSIが存在することは、これらの細菌門が単系統群を形成し、このグループのどの種からも外膜の喪失が起こっていないという証拠となります。[ 8 ]そのため、これらはPseudomonadati界（以前は「Hydrobacteria」）に分類されています。[ 4 ]
問題は、二枚皮構造を持つ他の分類群にある。
プロテオバクテリアは、大腸菌、サルモネラ菌、シゲラ菌、その他の腸内細菌科、シュードモナス属、モラクセラ属、ヘリコバクター属、ステノトロフォモナス属、ベデロビブリオ属、酢酸菌、レジオネラ属などを含むグラム陰性細菌の主要なスーパー門です。その他の注目すべきグラム陰性細菌のグループには、シアノバクテリア、スピロヘータ、緑色硫黄細菌などがあります。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
医学的に重要なグラム陰性双球菌には、性感染症（淋菌[ 19 ]）、髄膜炎（髄膜炎菌[ 20 ]）、呼吸器症状（モラクセラ・カタラーリス[ 21 ] ）を引き起こす4つのタイプが含まれます。球桿菌であるインフルエンザ菌 も医学的に重要な球菌です。[ 22 ]
医学的に重要なグラム陰性桿菌には多数の種が含まれる。それらのいくつかは主に呼吸器系の問題を引き起こす（Klebsiella pneumoniae、Legionella pneumophila、Pseudomonas aeruginosa）、主に尿路系の問題を引き起こす（Escherichia coli、Proteus mirabilis、Enterobacter cloacae、Serratia marcescens）、そして主に胃腸系の問題を引き起こす（Helicobacter pylori、Salmonella enteritidis、Salmonella typhi）。[ 23 ]
院内感染に関連するグラム陰性菌には、アシネトバクター・バウマニなどがあり、これは病院の集中治療室で菌血症、二次性髄膜炎、人工呼吸器関連肺炎を引き起こします。
形質転換は、外来遺伝物質が一方の細菌から他方の細菌へ伝達される水平遺伝子伝達の 3 つのプロセスの 1 つであり、他の 2 つは接合(直接接触している 2 つの細菌細胞間での遺伝物質の伝達) および形質導入(バクテリオファージウイルスによる外来 DNA の宿主細菌への注入) である。[ 24 ] [ 25 ]形質転換では、遺伝物質は介在する培地を通過し、その取り込みは受容細菌に完全に依存する。[ 24 ]
2014年時点で、約80種の細菌が形質転換能力を持つことが知られており、グラム陽性菌とグラム陰性菌がほぼ均等に分かれている。いくつかの報告は単一の論文によって裏付けられているため、この数は過大評価である可能性がある。[ 24 ]形質転換は、ヘリコバクター・ピロリ、レジオネラ・ニューモフィラ、ナイセリア・メニンギティディス、ナイセリア・ゴノレア、ヘモフィルス・インフルエンザ、ビブリオ・コレラなどの医学的に重要なグラム陰性菌種で研究されている。[ 26 ]また、シュードモナス・スタッツェリ、アシネトバクター・ベイリーなどの土壌中のグラム陰性菌種や、ラルストニア・ソラナセアラム、キシレラ・ファスティディオサなどのグラム陰性植物病原菌でも研究されている。[ 26 ]
グラム陰性菌のいくつかの独特な特徴の1つは、細菌の外膜の構造です。この膜の外側の小葉にはリポ多糖（LPS）が含まれており、その脂質A部分はエンドトキシンとして作用します。[ 1 ]グラム陰性菌が循環系に入ると、LPSは自然免疫応答を引き起こし、免疫系を活性化してサイトカイン（ホルモン調節物質）を産生します。これにより炎症が起こり、毒性反応を引き起こして発熱、呼吸数の増加、低血圧を引き起こす可能性があります。そのため、グラム陰性菌による感染症の中には、生命を脅かす敗血症性ショックにつながるものがあります。[ 3 ]
外膜は、通常であれば内膜または細胞壁（ペプチドグリカンで構成されている）を損傷するであろう、いくつかの抗生物質、染料、および洗剤から細菌を保護します。外膜は、これらの細菌にリゾチームとペニシリンに対する耐性を与えます。ペリプラズム空間（2つの細胞膜の間の空間）には、抗生物質を分解または修飾する酵素も含まれています。グラム陰性菌感染症の治療に一般的に使用される薬剤には、アミノペニシリン、カルボキシペニシリン、およびウレイドペニシリン（アンピシリン、アモキシシリン、ピペラシリン、チカルシリン）があります。これらの薬剤は、ペリプラズム空間に存在するこれらの薬剤を分解する酵素（ベータラクタマーゼとして知られる）に対抗するために、ベータラクタマーゼ阻害剤と併用されることがあります。グラム陰性菌に有効な他の薬剤クラスには、セファロスポリン、モノバクタム（アズトレオナム）、アミノグリコシド、キノロン、マクロライド、クロラムフェニコール、葉酸拮抗薬、カルバペネムなどがある。[ 27 ]
グラム陽性およびグラム陰性という形容詞は、デンマークの細菌学者ハンス・クリスチャン・グラムの姓に由来します。これらの形容詞は、その頭文字であるGが、どのスタイルガイドを採用するかによって、大文字または小文字のどちらでも使用できます。たとえば、米国疾病予防管理センターのスタイルガイドでは、次のように書くことを推奨しています。グラム染色、この種はグラム陰性、グラム陰性種。[ 28 ] [ 29 ]
この記事は、Science Primer（NCBI）のパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 2009年12月8日にオリジナルからアーカイブされました。ミコール酸は、ほとんどのメンバーの細胞外膜の重要な構成要素です。
呼吸器系（例：緑膿菌、レジオネラ菌）から尿路（例：大腸菌、プロテウス菌）、消化器系（例：サルモネラ菌、ヘリコバクター菌）まで、臨床的に異なるニッチを持つ多様な細菌群である。