Sweetener specific modulation of physiological responses in uropathogenic Escherichia coli

世界中の人々は、砂糖のカロリーを摂らずに甘いものへの欲求を満たすために、毎日さまざまな甘味料を手に取っています。ダイエット飲料から砂糖不使用のデザートに至るまで、これらの添加物は、体重や血糖値を管理するための無害な方法として宣伝され、現代の食生活の定番となっています。しかし、これらの物質が体内を通過する際、単に消えてなくなるわけではありません。かなりの部分が消化管を変化しないまま通り抜け、尿として排出され、最終的には環境や生命を維持する水系へと流れ込みます。科学者たちは、これらの化学物質が人間の代謝にどのように影響するかを長年研究してきましたが、より静かな問いが浮上しています。それは、「これらの甘味料が微生物の世界と出会ったとき、何が起こるのか？」という問いです。ヒトの腸内には、健康において極めて重要な役割を果たす何兆もの微生物が生息しており、研究者たちは、私たちが摂取する甘味料が、まだ解明されていない方法でこれら微小なコミュニティを変化させているのではないかと疑問を持ち始めています。

最近の研究において、研究チームは、尿路感染症（一般的でしばしば痛みを伴う疾患）の原因となる、病原性大腸菌の一種である「ウロパトジェニック・エシェリヒア・コリ（Uropathogenic Escherichia coli）」、通称UPECに焦点を当て、この相互作用を調査することを目的としました。科学者たちは、非常に異なる2種類の甘味料を比較することを選びました。一つは、多くのダイエット製品に含まれる一般的な人工甘味料であるアセスルファムカリウム、もう一つは、植物由来の天然甘味料であるステビアです。彼らは、人間にとって似たような味を持つこれらの化学物質が、病気を引き起こす細菌に対して異なる反応を引き起こすかどうかを調べたいと考えました。そのために、彼らは実験室の設定でこれらの細菌を培養し、甘味料に曝露させ、微生物がその行動、成長、および遺伝的活動をどのように変化させるかを注意深く観察しました。

研究者たちは、細菌がこれら2つの甘味料に対して同じようには反応しないことを発見しました。人工甘味料にさらされると、細菌は運動性が著しく高まりました。自然界において、細菌は「鞭毛（べんもう）」と呼ばれる小さな鞭のような尾を使って、食物に向かって泳いだり、危険から逃れたりします。研究によれば、人工甘味料は信号のような役割を果たし、細菌により多くの鞭を作り、より速く、目的を持って泳がせる原因となったことが示されました。この運動性の増加は単なる物理的な変化ではなく、細菌の遺伝的な指示の劇的な変化によって引き起こされたものでした。細菌は、泳ぐことや周囲の環境を感知することに特化した何百もの遺伝子をオンにし、実質的に移動のための準備を整えたのです。

対照的に、天然甘味料であるステビアは、全く異なる反応を引き起こしました。ステビアは細菌を泳ぎ速くさせる代わりに、細菌によって「食物」として利用されているようでした。研究者が、他に食べ物がない栄養の乏しい環境に細菌を置いたところ、ステビアが存在する場合、細菌は増殖することができました。これは、細菌がこの植物由来の甘味料を分解し、自身の生存のための燃料として利用できることを示唆しています。しかし、この代謝の変化は、先ほどの運動性の急増を伴うものではありませんでした。細菌はより活発に動くのではなく、新しい食物源を処理することにエネルギーを集中させたのです。

また、研究では、これらの甘味料が「バイオフィルム」、すなわち細菌が表面に付着して形成する粘着性のコミュニティ（これらは薬による治療が困難になることが多い）の形成にどのように影響するかについても調査しました。ここでの結果は、テストされた細菌の特定の株によって異なり、一様ではありませんでした。一部の株では、人工甘味料が保護的なバイオフィルムの形成を促進しましたが、天然甘味料はそれらを減少させる傾向がありました。このことは、これら2つの化学物質が細菌のストレス応答に対して、反対方向の相互作用をしていることを示唆しています。人工甘味料は細菌にストレスを与え、保護層を構築させ、より攻撃的に移動させるように見えましたが、天然甘味料はこれらのストレス応答を鎮め、細菌が成長に集中できるようにしているようでした。

研究の重要な部分は、現実世界の細菌を、科学者が数十年にわたって使用してきた標準的な実験室株と比較することでした。研究者たちは、実験室の細菌はどちらの甘味料に対してもほとんど反応しないことを発見しました。それらは穏やかで変化のない状態を保ち、化学物質に対して遺伝的な活動をほとんど示しませんでした。この発見は、これまでの研究における重大なギャップを浮き彫りにしています。つまり、複雑で変化する環境の中で生き残るよう進化した、人間の体内に生息する細菌は、実験室で飼育された「おとなしい」バージョンとは全く異なる反応を示す可能性があるということです。本研究で使用された臨床株は、はるかに劇的で多様な反応を示しており、感染症を引き起こす細菌が、これまで考えられていたよりもはるかに、私たちが食べるものに対して敏感である可能性を示しています。

科学者たちはまた、細菌の内部ストレスレベルについても調査しました。彼らは、人工甘味料が「活性酸素種（reactive oxygen species）」、すなわち細胞にダメージを与える可能性のある不安定な分子の増加を引き起こすことを発見しました。このストレス反応は、細菌が攻撃を受けているか、あるいは適応に苦労しているサインであることが多いものです。しかし、天然甘味料はこのようなストレスの急増を引き起こさず、場合によっては、これらの有害な分子のレベルを実際に低下させることもありました。この違いは、人工甘味料が細菌を「高度警戒状態」に追い込んでいる可能性がある一方で、天然甘味料は細菌をより安定した状態に保つことができることを示唆しています。

結局のところ、この研究は「甘味料の出処が重要である」ということを明らかにしています。ステビアもアセスルファムカリウムも、砂糖の代わりとして使用されますが、それらは細菌に対して全く異なる信号を送ります。人工甘味料は、運動やストレスのトリガーとして機能し、細菌をより活動的にさせ、制御を困難にする可能性があります。一方、天然甘味料は、成長をサポートしながらも、必ずしも細菌の移動能力や保護的なコミュニティの形成を高めることはない、食物源として扱われるようです。これらの知見は、一方の甘味料が安全で、もう一方が危険であるという意味ではありませんが、私たちの食事の選択が、私たちの内なる微小な世界に対して、微妙かつ具体的な影響を及ぼし得ることを示しています。これらの化学物質が大量に消費され続ける中で、それらが細菌の行動にどのように影響するかを理解することは、人類の健康を維持するための重要なパズルの一片となっています。