Defining the role of aerobic respiration in the metabolism and bioenergetics of Enterococcus faecalis
本研究は、*Enterococcus faecalis*において、細胞質内のNADHオキシダーゼ（Nox）が酸素の主要な消費体であり、レドックスおよびエネルギー恒常性の鍵となる調節因子である一方で、F型ATP合成酵素がプロトン駆動力の主要な生成源として機能しており、電子伝達系とNoxがこの細菌の好気的バイオエナジェティクスにおいて相補的な役割を果たしていることを示している。
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細菌は、私たちと同じように呼吸をするか、あるいは酵母のように食物を発酵させるだけの単純な生物であるとしばしば考えられています。しかし、多くの細菌、例えば「エンテロコッカス・フェカリス（Enterococcus faecalis）」と呼ばれる一般的な腸内細菌を含め、彼らははるかに柔軟です。彼らは通性嫌気性菌であり、酸素があってもなくても生存できます。酸素が存在する場合、多くの細菌は、高性能なエンジンのように、エネルギーを効率的に生成するために、電子伝達系と呼ばれる洗練されたシステムを起動させます。このプロセスには通常、一連のタンパク質を通じて電子を通過させ、細胞の普遍的な燃料分子であるATPの生産を駆動する力を生み出すことが含まれます。しかし、E. faecalisはヒトの腸内で繁栄する日和見感染菌であり、そこは酸素レベルが激しく変動する場所です。数十年もの間、科学者たちは、もしこの細菌が酸素を利用できれば、その呼吸装置を使用してエネルギーを増強し、より速く成長するはずだと想定してきました。残された疑問は、この細菌は実際にエネルギーをより多く作るために呼吸ツールを使用しているのか、それとも全く別の目的のためにそれらを使用しているのか、ということでした。
研究チームは、E. faecalisが酸素をどのように扱うかの詳細なマップを作成することで、この問いに答えようとしました。彼らは、細菌が酸素に対処するために使用する2つの特定のツールに焦点を当てました。一つは、従来の呼吸鎖の一部であるシトクロムbdオキシダーゼと呼ばれる膜結合型の機械であり、もう一つは、単純な酸素スカベンジャー（掃除屋）として機能する、細胞質内の酵素であるNADHオキシダーゼです。それぞれのツールが実際に何をしているのかを確認するために、科学者たちは精密な遺伝子変異体を作成しました。彼らは、呼吸鎖、スカベンジャー酵素、そしてATPを作る機械の遺伝子を、個別に、また組み合わせて除去しました。そして、それらの改変された細菌を、酸素が豊富な環境と酸素が極めて少ない環境の両方の制御された環境下で培養し、細菌がどれだけ酸素を消費したか、どの程度の速さで成長したか、そして内部のエネルギーレベルに何が起きたかを注意深く観察しました。
結果は標準的な予想を覆しました。研究者が細菌の酸素消費量を測定したところ、細胞質のスカベンジャー酵素が主要な推進力となっており、呼吸鎖よりもはるかに高い速度で酸素を貪り食っていることが分かりました。実際、スカベンジャー酵素を除去すると酸素消費量は劇的に減少しましたが、呼吸鎖を除去しても酸素の使用量にはほとんど影響を与えませんでした。これは、酸素が存在する場合の細菌の主な目的は、高効率なエネルギー発電所を動かすことではなく、単に環境から酸素を取り除くことであることを示唆しています。研究者も細菌の成長を調査し、驚くべき展開を発見しました。呼吸鎖を欠損した変異体は、酸素が豊富な条件下では通常の細菌よりもわずかに速く成長したのです。これは、呼吸鎖を動かすことが、おそらくエネルギーコストがかかるため、あるいは細菌が好む発酵によるエネルギー生成を妨げるため、細菌の動きをむしろ遅らせている可能性があることを示しています。
なぜこのようなことが起こるのかを理解するために、チームは細胞内の化学的構成要素を分析しました。彼らは、スカベンジャー酵素が欠損すると、細菌が内部の燃料分子の適切なバランスを維持するのに苦労することを発見しました。エネルギー通貨とその消費形態の比率が変化し、代謝経路を通じた炭素の流れが遮断されました。これにより、スカベンジャー酵素が、酸素が存在する場合でも細菌が食物を発酵し続けられるよう、内部の化学状態をスムーズに保つために不可欠であることが確認されました。対照的に、呼吸鎖は、この化学的バランスにおいて、細菌が多くの状況で無視しても構わないバックアップシステムとして機能しており、限定的な役割しか果たしていないようでした。
最も予想外の発見は、細菌が生存に不可欠な要素である内部の電気的電荷をどのように維持しているかに関するものでした。ほとんどの細菌では、呼吸鎖が細胞膜を介してプロトンを汲み出し、この電荷を作り出し、それがATPを作る機械を駆動します。しかし、E. faecalisにおいては、呼吸鎖がこのパワーの主要な源ではないことが研究者によって発見されました。代わりに、ATPを作る機械自体が逆回転しているように見えたのです。それは、ATPに蓄えられたエネルギーを使用してプロトンを細胞外に汲み出し、必要な電気的電荷を生成していました。これは稀な戦略であり、実質的に、細胞の燃料を使って自らのバッテリーを動かしているのです。呼吸鎖とスカベンジャー酵素は、細胞がATPマシンが機能するための十分な燃料と清潔な化学環境を確保できるようにすることで、このプロセスに間接的にのみ貢献していました。
これらの知見は、この細菌が最大エネルギー効率よりも、スピードと化学的バランスを優先している姿を描き出しています。E. faecalisは、酸素があるときに、食物から可能な限りのエネルギー単位を抽出することには関心がないようです。その代わりに、内部の化学的バランスをリセットするためのツールとして主に酸素を利用し、それによって食物を迅速に発酵し続けることができるのです。呼吸鎖は、彼らの成功のエンジンではなく、特定の困難な環境（感染中のヒトの腸内など）において生存を助ける柔軟なアクセサリーなのです。この細菌が標準的な呼吸エンジンではなく、独特な逆駆動型のバッテリーシステムに依存していることを理解することで、科学者はそのエネルギー供給を遮断する新しい方法を見つけられるかもしれません。これは、多くの一般的な抗生物質に対して耐性を持つことが知られているE. faecalisによる感染症に対する、新しい治療法につながる可能性があります。この研究は、この強靭な病原体を打ち負かす鍵は、その酸素利用を阻止することではなく、人間の中で生き残るために、彼らがどのように独自の内部エネルギーと化学的バランスを管理しているのかを理解することにあると示唆しています。
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