グラム陰性細菌

グラム陰性細菌は、グラム陽性細菌とは異なり、細菌の分類に用いられるグラム染色法で用いら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]それらの決定的な特徴は細胞膜であり、それは内膜（細胞質）と外膜の間に挟まれた薄いペプチドグリカン細胞壁からなる。^{[2]これらの細菌は、}地球上の生命を支えるあらゆる環境に見られる。

このカテゴリには、モデル生物である 大腸菌のほか、緑膿菌、クラミジア・トラコマティス、ペスト菌などのさまざまな病原細菌が含まれる。これらの細菌は、外膜がペニシリンなどの多くの抗生物質、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ため、医療分野では大きな課題となっている。さらに、この膜の外側の葉には複雑なリポ多糖類（LPS）が含まれており、細菌が免疫細胞によって溶解されると、その脂質A成分が毒性反応を引き起こす可能性がある。この反応は敗血症性ショックを引き起こし、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る。^[3]

グラム陰性細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の組み合わせ（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、いくつかのクラスが開発されています。これらの抗生物質の多くはグラム陽性細菌も対象としています。グラム陰性菌を特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ります。

従来のグラム陰性（LPS-diderm）細菌は次のような特徴を示す：^{[引用が必要]}

• 細胞内には膜が存在する（細胞質）
• 薄いペプチドグリカン層が存在する（グラム陽性細菌ではこれがはるかに厚い）
• 外膜には、外葉にリポ多糖類（脂質A、コア多糖類、O抗原からなるLPS ）を含み、内葉にリン脂質を含む。
• ポリンは外膜に存在し、特定の分子の孔のような働きをする。
• 外膜と細胞質膜の間には、ペリプラズムと呼ばれる濃縮されたゲル状物質で満たされた空間がある。
• S層はペプチドグリカンではなく外膜に直接付着している。
• 鞭毛が存在する場合、2つではなく4つの支持リングがある。
• テイコ酸またはリポテイコ酸は存在しない
• リポタンパク質は多糖類骨格に結合している
• ブラウンリポタンパク質を含むものもあり、これは共有結合によって外膜とペプチドグリカン鎖をつなぐ役割を果たしている。
• ほとんどは、いくつかの例外を除いて、胞子を形成しない。

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4つの部門に分けられていました：Firmacutes （+）、Gracillicutes（−）、Mollicutes（0）、Mendocutes（var.）。^[4] 1987年以来、分子研究によりグラム陰性細菌の単系統性が反証されています。^{[5]しかし、} Cavalier-Smithなどの一部の著者は、それらを単系統分類群（クレードではないが、彼の単系統の定義では単一の共通祖先が必要であるが、すべての子孫が分類群に含まれるという性質である全系統性は必要ではない）として扱い、そのグループをサブ界「ネギバクテリア」と呼んでいます。^[6]

細菌は伝統的に、グラム染色反応に基づいてグラム陽性細菌とグラム陰性細菌に分類されている。グラム陽性細菌は膜が 1 つしかないため単皮細菌とも呼ばれ、グラム陰性細菌は膜が 2 つあるため二皮細菌とも呼ばれる。これらのグループは系統を表していると考えられてきた。つまり、余分な膜は 1 回しか進化していないため、グラム陰性細菌はグラム陽性細菌よりも互いに近縁である。これは多くの場合正しいが、系統のグループ分けが染色結果と一致しないケースもあり、分類システムは破綻する。^{[7] [8] [9] [10]そのため、グラム染色は細菌の家族関係を評価するために確実に使用できない。それでも、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多い。^{[7] [11]}

構造的に異なる2つの原核生物グループのうち、単皮原核生物が祖先であると考えられている。グラム陽性細菌は抗生物質に対して最も敏感であり、グラム陰性細菌は一般に抗生物質に耐性であるなど、いくつかの異なる観察に基づいて、グラム陰性細菌（二皮細菌）の外細胞膜は抗生物質の選択圧に対する防御機構として進化したと提案されている。^{[7] [8] [11] [12]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、外細胞膜も持つデイノコッカスなどの一部の細菌は、単皮（グラム陽性）細菌と二皮（グラム陰性）細菌の間の遷移の中間体であると示唆されている。^{[7] [12]}二皮細菌は、リポ多糖（LPS）を欠く単純な二皮細菌と、外細胞膜にリポ多糖類を含む典型的な二層細菌と、外細胞膜がミコール酸で構成されている二層細菌（例：Mycobacterium）である。^{[9] [10] [12] [13]}

グラム陰性細菌の従来の LPS 二皮細胞群 (例: Pseudomonadota、Aquificota、Chlamydiota、Bacteroidota、Chlorobiota、「Cyanobacteria」、Fibrobacterota、Verrucomicrobiota、Planctomycetota、Spirochaetota、Acidobacteriota、「Hydrobacteria 」) は、 HSP60 ( GroEL ) タンパク質内のいくつかの保存されたシグネチャインデル(CSI)によって一意に識別されます。 さらに、Bacillota門(単皮細胞グループ)の一部であるか、その近傍の分岐である多くの細菌分類群( Negativicutes、Fusobacteriota、Synergistota、Elusimicrobiotaなど)も、二皮細胞構造を持つことがわかっています。^{[10] [12] [13]これらには}GroELシグネチャーが欠けている。^[12]従来のリポ多糖類を含むグラム陰性細菌門の配列決定されたすべての種にこの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ことを証明している。^[12]

プロテオバクテリアはグラム陰性細菌の主要な上門であり、大腸菌、サルモネラ菌、赤痢菌、その他の腸内細菌科、シュードモナス菌、モラクセラ菌、ヘリコバクター菌、ステノトロフォモナス菌、デロビブリオ菌、酢酸菌、レジオネラ菌などが含まれます。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、緑色非硫黄細菌などがあります^[14]。^[要出典]

医学的に関連するグラム陰性双球菌には、性感染症（淋菌^[15] ） 、髄膜炎（髄膜炎菌^{[ 16]}）、呼吸器症状（モラクセラ・カタラーリス^{[17]）を引き起こす4つのタイプが含まれます。}球菌で あるインフルエンザ菌も医学的に関連する球菌の一種です。^[18]

医学的に重要なグラム陰性桿菌には、多数の種が含まれます。その一部は、主に呼吸器系の問題（クレブシエラ・ニューモニエ、レジオネラ・ニューモフィラ、緑膿菌）、主に泌尿器系の問題（大腸菌、プロテウス・ミラビリス、エンテロバクター・クロアカエ、セラチア・マルセセンス）、および主に胃腸系の問題（ヘリコバクター・ピロリ、サルモネラ・エンテリティディス、サルモネラ・チフス）を引き起こします。^[要出典]

院内感染に関連するグラム陰性細菌には、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すアシネトバクター・バウマニが含まれます。

形質転換は水平遺伝子伝達の3つの過程のうちの1つであり、外来遺伝物質が1つの細菌から別の細菌に渡される。他の2つは接合（直接接触する2つの細菌細​​胞間での遺伝物質の移動）と形質導入（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。^{[19] [20]}形質転換では、遺伝物質は介在培地を通過し、その取り込みは完全に受容細菌に依存する。^[19]

2014年の時点で、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、この数は過大評価されている可能性がある。^{[19]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、髄膜炎菌、淋菌、インフルエンザ菌、コレラ菌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。^[21]また、土壌中に見られるグラム陰性菌種、例えばシュードモナス・スタッツェリ、アシネトバクター・ベイリー、およびグラム陰性植物病原菌、例えばラルストニア・ソラナセラム、キシレラ・ファスティディオサでも研究されている。^[21]

グラム陰性細菌のいくつかのユニークな特徴の1つは、細菌外膜の構造です。この膜の外側の葉にはリポ多糖類（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機能します。^[1]グラム陰性細菌が循環系に入ると、LPSは自然免疫反応を引き起こし、免疫系を活性化してサイトカイン（ホルモン調節因子）を生成します。これは炎症につながり、毒性反応を引き起こし、発熱、呼吸数の増加、低血圧を引き起こします。そのため、グラム陰性細菌による感染症の一部は、生命を脅かす敗血症性ショックを引き起こす可能性があります。^[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できている）のいずれかを損傷するいくつかの抗生物質、染料、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変更する酵素も含まれています。グラム陰性感染症の治療に一般的に使用される薬には、アミノペニシリン、カルボキシペニシリン、ウレイドペニシリン（アンピシリン、アモキシシリン、ピペルシリン、チカルシリン）があります。これらの薬は、ペリプラズム空間でこれらの薬を分解できる酵素（ベータラクタマーゼとして知られる）の存在に対抗するために、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。グラム陰性スペクトルを持つ他のクラスの薬剤には、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。^[22]

形容詞「グラム陽性」と「グラム陰性」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ています。同名の形容詞であるため、文書に適用されるスタイルガイド（CDCのものなど）に応じて、頭文字は大文字のGでも小文字のgでもかまいません。 ^{[23]これについては、}グラム染色§正書法の注記でさらに説明されています。

• オートシャペロン
• グラム不定細菌およびグラム不定細菌
• OMPdb (2011)
• 外膜受容体

• エリー・ワイスのグラム陰性細菌の内膜タンパク質の3D構造