抗生物質の選択

概要

研究者は、抗生物質耐性遺伝子を用いて、目的の遺伝子を含むプラスミドを保有する細菌を特定します。抗生物質耐性は、自然発生的なDNAの突然変異によって細菌の遺伝子に変化が生じ、抗生物質の作用がなくなることで自然に発生します。細菌は、これらの新しい耐性遺伝子を子孫や他の細菌と共有できます。抗生物質の過剰使用や誤用により、耐性菌や多剤耐性菌が続出し、公衆衛生上の危機が生じています。

抗生物質耐性は遺伝子工学の必須ツール

ペニシリンに代表される抗生物質は、細菌を殺したり、成長を止めたりする薬です。自然または人工的に抗生物質耐性遺伝子を獲得したバクテリアは、抗生物質に影響されません。科学者たちは、抗生物質耐性遺伝子と目的の遺伝子の両方を持つプラスミド（自己複製可能な小さなDNA）を設計することで、これを利用しています。抗生物質耐性は、DNAクローニングに不可欠な要素であり、研究者は目的のDNAを取り込んだ細胞を特定できます。

研究者の目的のDNAは、形質転換と呼ばれるプロセスを使って細菌細胞に導入されます。細菌の形質転換では、プラスミドなどの外部DNAを取り込めるように、細菌の細胞壁に一時的に小さな穴を作ります。新しいDNAを取り込むのは、一部の細菌細胞だけです。プラスミドには、目的のDNAと、特定の抗生物質に耐性を与える遺伝子の両方が含まれているので、細菌細胞に抗生物質を適用する（すなわち、抗生物質選択）ことで、どの細胞が遺伝子組み換えされたのかを特定できます。

研究者は、選択した抗生物質を含む培養プレートに細菌細胞を広げます。抗生物質耐性遺伝子を持つバクテリアだけが生き残り、プレート上で成長します。数日後、研究者は細菌のコロニーを選択して、遺伝子発現研究などのさらなる実験のために培養します。抗生物質を選択した後、研究者はさらに他の方法（PCRなど）を用いて細菌を検査し、目的のDNAが正しいかどうかを確認します。プラスミドに目的の遺伝子が全く含まれていないなど、エラーが発生することもよくあります。

バクテリアは自然に抗生物質耐性を獲得します

細菌は、自発的なDNAの突然変異によって、細胞が作り出すタンパク質を変化させることで、抗生物質の耐性を獲得します。耐性菌は、抗生物質が分解されたり、細胞外に排出されたり、標的との相互作用を妨げたりするようなタンパク質を作り出すことがあります。例えば、バンコマイシンという抗生物質は、細菌の細胞壁の合成を阻害します。一部の細菌は、細胞壁の形成に使われるタンパク質サブユニットのアミノ酸の種類をバンコマイシンの影響を受けないものに変えることで、この抗生物質に対する耐性を獲得しています。

抗生物質耐性遺伝子が出現すると、細菌はそれを子孫に伝えることができます。また、細菌は遺伝子の水平伝播（Horizontal gene transfer, HGT）と呼ばれるプロセスによって、同種または異なる種の他の細菌から抗生物質耐性遺伝子を獲得できます。HGTのメカニズムには、形質転換、形質導入、接合伝達の3つがあります。抗生物質耐性遺伝子は、プラスミドやトランスポゾンと呼ばれる細菌間で移動しやすいDNAに含まれていることが多く、HGTの際に交換されます。その結果、新しいタイプの抗生物質耐性が、複数の種類の感染性細菌に急速に広がることになります。

臨床現場での抗生物質の過剰使用と誤用が「スーパーバグ」を生み出します

抗生物質は、細菌感染症の重要な治療法です。しかし、抗生物質を使用すると、細菌が耐性を獲得して抗生物質が効かなくなり、治療不可能な致命的な感染症を引き起こす可能性があります。例えば、細菌ではなくウイルス感染症の治療に抗生物質を使用したり、家畜の成長を促進するために抗生物質を使用したりするなど、抗生物質の過剰使用や誤用は、耐性を促進するという点で問題があります。

抗生物質は、感受性のある細菌を殺し、耐性のある個体だけを残すため、耐性を進化させます。生き残った細菌は急速に分裂し、同じ抗生物質耐性を持つ子孫を作ります。抗生物質が過剰に使用されると、この選択圧により、集団内の耐性菌の数が急速に増加します。これは、抗生物質の耐性を高め、複数の抗生物質に耐性を持つ「スーパーバグ」を生み出すことになるため、公衆衛生上の大きな問題となります。抗生物質の過剰使用や誤用が続くと、最終的には細菌感染症の治療方法がなくなる恐れがあります。