Bacillus cereus MHI 86 and Bacillus thuringiensis 5-29 both produce the antilisterial bacteriocin thuricin S – analysis of antimicrobial spectrum, stability, and producer strain suitability, including cytotoxicity evaluation

食品の安全性は、有害な細菌を抑え込むことと、それらを阻止するために使用する方法が新たな危険をもたらさないことを確実にするという、繊細なバランスの上に成り立っています。数十年にわたり、科学者たちは解決策として自然界に目を向け、「バクテリオシン」と呼ばれる物質の一群に着目してきました。これらは特定の細菌が競合する相手を撃退するために作り出す微小なタンパク質です。これは一種の天然の防御システムのようなものであり、ある微生物が他の微生物を無力化するために特別に設計された武器を作り出しているのです。これらの物質の多くはよく知られていますが、バチルス（枯草菌）属の細菌が生成するものについては、非常に興味深いものです。なぜなら、これらの微生物は土壌から私たちが食べる食品に至るまで、あらゆるところに存在するからです。しかし、これらを道具として利用するには、単に悪い菌を殺す細菌を見つけるだけでは不十分です。研究者は、その生産者自体が安全であること、そしてそれが作る「武器」が熱や酸度の変化といった食品加工の過酷な条件にも耐えられるほど強力であることを証明しなければなりません。

最近のある研究において、研究者たちは、バチルス・セレウス科の一つと、それに近縁なバチルス・チューリンゲンシス科の一つからなる、二つの特定の細菌株について調査を行いました。どちらも元々は食品サンプルから分離されたものであり、サーリシンS（thuricin S）として知られる強力な物質を生成している疑いがありました。この物質は、冷蔵食品の中で生き残り、深刻な疾患を引き起こす可能性のある危険な病原体、リステリア・モノサイトゲネス（Listeria monocytogenes）を標的にできることで有名です。チームは、これら二つの異なる細菌が本質的に同じことを行っているのか、どのようにしてこの武器を作っているのか、そして現実世界で使用するのに十分に安全かを知りたいと考えました。彼らは単に細菌が他の菌を殺せるかどうかを見ただけでなく、遺伝暗号を深く掘り下げて、この物質を作るための指示書がいかに記述されているかを調べ、タンパク質の正確なサイズを測定し、熱、酸、および消化酵素に対してどの程度耐性があるかをテストしました。

調査は、栄養豊富な液体中でこれら二つの細菌株を培養し、経過観察することから始まりました。研究者たちは、両方の細菌が急速増殖期に入る際に抗菌物質の生成を開始することを発見し、その活性は8時間後に明確に検出可能となりました。一方の系統であるバチルス・セレウス MHI 86は、もう一方のバチルス・チューリンゲンシス 5–29よりもわずかに強い活性を示しましたが、どちらも効果的でした。科学者がリステリアの増殖を止めるために必要な量を測定したところ、極めて少量で十分であることがわかりました。B. セレウス由来の系統は約5.73マイクログラム/ミリリットルで病原体を抑制できたのに対し、B. チューリンゲンシス由来の場合は約10.77マイクログラム/ミリリットルを必要としました。比較のために標準的な抗生物質を用いると、それはわずか0.20マイクログラム/ミリリットルの濃度で有効であったため、このバクテリオシンは強力ではあるものの、従来の薬剤ほどの効力はない一方で、天然の代替案としての価値を提供しています。

これらの細菌がどのようにして自らの武器を構築するかを理解するために、研究者たちはその遺伝的ブループリントを確認しました。彼らは、両方の系統がサーリシンSを作る責任を持つ特定の遺伝子セットを持っていることを発見しました。これらの遺伝子は繰り返しのパターンを持っており、三つの命令配列が次々と並んで配置されていました。この構成は他の関連する細菌でも見られているものと同様であり、こうした物質を生成するための共通の進化戦略を示唆しています。また、チームはこれらの遺伝子がいつオンになるのかについても確認しました。細菌がバクテリオシンのための遺伝的指示を一貫して八時間の成長時から生成していることが判明し、これは抗菌活性が最初に観察されたタイミングとも一致していました。これにより、細菌がただ保持しているのではなく、増殖過程において能動的に物質を製造していることが裏付けられました。

次に、科学者たちはその物質が具体的にどのような姿をしており、どれほどの重さなのかを確認する必要がありました。彼らは細菌が増殖していた液体から物質を精製し、一連のテストを実施しました。分子の大きさによってタンパク質を分離する一つのテストでは、およそ3.1キロダルトン（分子量を示す単位）の位置に明確なバンドが見られました。より精密な測定を行うために、個々の分子の重さを測ることができるハイテク機器を用いた結果、主要な活性物質の質量は3137.6ダルトンであることが明らかになりました。この特定の重量は既知のサーリシンSのプロファイルと一致しており、両方の細菌が確かに同じ種類の武器を生成していることを裏付けています。また、少し小さめの別のバージョンの物質も見つかりましたが、それは変異種またはわずかに改変された形態である可能性があります。しかし、主要な有効成分は明確に特定されました。

食品保存料にとって真の試練となるのは、その物質が現実世界の条件下で生存できるかどうかです。研究者たちは、精製された物質をさまざまなストレスにさらしました。その結果、当該物質は酸性および中性の環境下においても完全に活性を維持し、pHレベル3から7の間で良好に機能することが分かりました。これは、発酵肉製品やチーズなどの多くの食品が酸性であることから極めて重要です。さらに、熱に対する耐性もテストされました。その物質は、摂氏80度まで加熱した後でも89パーセント以上の殺菌力を保持しており、沸騰させた後（100度）でも87パーセントの活性を保っていました。しかし、滅菌に使用されるような極端な温度（約121度）まで上昇させると、活性は著しく低下しました。このことは、この物質はタフではあるものの決して不死身ではなく、最高レベルの滅菌が行われる食品には適さない可能性があることを示唆しています。

研究者たちは、私たちの体内や食品中に存在する、他のタンパク質を分解する性質を持つ酵素に対して、この物質がどのように反応するかについてもチェックしました。トリプシンやキモトリプシンのような、（人間の消化に関わる一般的な）酵素で処理した場合、物質はおおむね活性を維持しました。しかし、非常に強力な酵素であるプロテインエースKを使用すると、物質は完全に破壊されました。この結果は、この武器がまさにタンパク質であることを裏付けるものです。つまり、タンパク質を分解するように設計された酵素によって壊されますが、食品内やヒトの腸内で遭遇するであろう緩やかな酵素に対しては堅牢であるということです。

おそらく今回の研究で最も重要な部分は、この武器を生み出す細菌自体が安全であるという保証を得ることでした。バチルス・セレウスは時に食中毒を引き起こすことがある種であるため、研究者たちはこれらの特定の菌株が有害な毒素を産生しないことを確実にしなければなりませんでした。彼らは非溶血性エンテロトキシン（下痢に関連する毒素）の生成について検査しましたが、通常であれば毒素生成が進むような条件下であっても、どちらの系統からも検出可能な量の毒素は見られませんでした。さらに、実験室で培養したヒト腸細胞を用いて、細菌を含む液体の安全性を検証しました。その結果、両方の系統からの液体は細胞に損傷を与えませんでしたが、既知の有毒な菌株による液体は顕著なダメージを与えました。この安全性のプロフィールこそが不可欠な要素であり、これは細菌が新たな健康リスクを持ち込むことなく、食品を守るために使用できることを意味します。

結論として、バチルス・セレウス MHI 86 と バチルス・チューリンゲンシス 5–29 は、ともにサーリシンSを生成するための優れた候補であると言えます。これらは、リステリアやその他の有害な細菌を効果的に標的にできる、強力かつ安定した安全な物質を生成します。この物質は熱や酸性に耐えることができるため、特にパストリゼーション（低温殺菌）済みであるが、その後の工程で汚染を受ける可能性がある食品の保存における有望な手段となります。本研究は、これらの細菌がいかにして自身の武器を作り出し、その武器がいかに作用し、なぜ安全であるのかについての明確な全体像を提示しており、伝統的な化学保存料だけに頼ることなく、私たちの食糧供給をより安全に守るための新しいツールを提供するものです。