Microbiology

Posted on by admin

学習目標

  • さまざまな種類の微生物を挙げ、その特徴を説明する
  • 異なる種類の細胞性微生物およびウイルス性微生物について例を挙げることができる。 1483>
  • 古細菌と細菌の類似点と相違点を説明する
  • 微生物学分野の概要を説明する

ほとんどの微生物は単細胞で、見るために人工的に拡大する必要があるほど小さいです。 しかし、肉眼で見える単細胞の微生物や、顕微鏡で見える多細胞の生物も存在します。 顕微鏡がなくても見える大きさは100μm（マイクロメートル）程度ですが、ほとんどの微生物はその何倍も小さいのです。 一般的な動物細胞の大きさが約10μmであることを考えると、やはり微小であることが分かります。 バクテリアの細胞は通常約1µmで、ウイルスはバクテリアの10倍も小さいことがあります（図1）。

下にあるバーは、さまざまな物体の大きさを示している。 右端にあるのは約1mmの鶏卵。 左は人間の卵と花粉の粒で約0.1mm。 次に、10～100μmの標準的な植物と動物の細胞です。 次に、10μm弱の赤血球です。 次に、ミトコンドリアとバクテリアの細胞で、約1μmです。 次に、約500 nmの天然痘ウイルスです。 次に、約100 nmのインフルエンザウイルスです。 次に、約50nmのポリオウイルスです。 次に、5〜10 nmのタンパク質。 次は脂質で、2～5nmの範囲です。 次にC60（フラーレン分子）で約1nmです。 最後に、原子は約0.1 nmです。 光学顕微鏡は、100nm（インフルエンザウイルスの大きさ）より大きなものを見ることができます。 電子顕微鏡は、1.5nm（原子より大きい）から1μm（多くのバクテリアの大きさ）までの物質に有効である
図1. さまざまな顕微鏡対象物と非顕微鏡対象物の相対的な大きさ。 典型的なウイルスは約100nmで、典型的なバクテリア（～1μm）の10倍、典型的な植物や動物の細胞（～10～100μm）の少なくとも10倍であることに注意されたい。

1 nm = 0.000000001 m = 10-9 m

Table 1. 微生物学でよく使われる長さの単位
メートル単位 接頭語の意味 メートル等価
メートル（m） – 1 m = 100 m
デシメートル（dm） 1/10 1 dm = 0.1メートル（m）。1 m = 10-1 m
センチメートル (cm) 1/100 1cm=0.1cmです。01 m = 10-2 m
ミリメートル (mm) 1/1000 1 mm = 0.001 m = 10-3 m
マイクロメーター (μm) 1/1,000,000 1 μm = 0.0 m = 0.000001 m = 10-6 m
ナノメートル（nm） 1/1,000,000

微生物は、大きさはもちろん、構造、生息域、代謝、その他多くの面でお互いに異なっています。 一般に微生物は単細胞生物と考えられていますが、顕微鏡でなければ見えないほど小さな多細胞生物も数多く存在します。 ウイルスなど、一部の微生物は無細胞（細胞で構成されていない）であることさえあります。

微生物は生命の 3 つの領域のそれぞれで発見されています。 古細菌、細菌、真核生物である。 細菌と古細菌はすべて原核生物（細胞に核がない）であり、真核生物は真核生物（細胞に核がある）である。 また、ウイルスのように3つの生命領域のいずれにも属さない微生物もいる。 この章では、微生物の大まかなグループ分けを簡単に紹介します。 後の章では、各グループの多様な種についてさらに詳しく説明します。

細菌やウイルスは、他の物体と比べてどのくらいの大きさなのでしょうか？

原核微生物

細菌は、人間の体内や体内を含め、地球上のほぼすべての生息地で発見されています。 ほとんどの細菌は無害か有用ですが、一部は病原体であり、人間や他の動物に病気を引き起こします。 バクテリアは原核生物であり、遺伝物質（DNA）は核の中に収められていません。 ほとんどの細菌は、ペプチドグリカンを含む細胞壁を持っている。

細菌は、その一般的な形状で説明されることが多い。 一般的な形状としては、球状（球菌）、棒状（バチルス）、または湾曲（スピリル、スピロヘータ、ビブリオ）などがある。 図2は、これらの形状の例である。

各形状の名称には、図面と顕微鏡写真が含まれている。 Coccusは球状である。 Bacillusは棒状である。 Vibrioはコンマの形。 Coccobacillusは細長い楕円形。 スピリルムは、硬い螺旋状。 スピロヘータは、柔軟な螺旋状。 一般的な細菌の形。 球状（球菌）と棒状（桿菌）を組み合わせたような形をしていることに注目。 (クレジット “Coccus” : Centers for Disease Control and Prevention, Janice Haney Carrによる著作の改変、クレジット “Coccobacillus” : Centers for Disease Control and Prevention, Janice Carrによる著作の改変、クレジット “Spirochete”: Centers for Disease Control and Prevention）

幅広い代謝能力を持ち、さまざまな環境で、さまざまな栄養素の組み合わせを使って生育することができます。 光合成を行うバクテリアもあります。酸素を出すシアノバクテリアや、酸素を出さないグリーンサルファーやグリーンノンサルファーのバクテリアは、太陽光から得たエネルギーを使い、二酸化炭素を固定して生育します。

古細菌も単細胞の原核生物であり、光合成を行わない。 古細菌と細菌は進化の歴史が異なるだけでなく、遺伝学、代謝経路、細胞壁や膜の構成に大きな違いがある。 古細菌の細胞壁は、多くの細菌と異なりペプチドグリカンを含まないが、擬ペプチドグリカンと呼ばれる類似の物質で構成されていることが多い。 古細菌は、バクテリアと同様に、地球上のほぼすべての生息環境に存在し、極寒、極高温、極塩基性、極酸性のような極限環境にも生息している（図3）。

端のオレンジから中央の青に色が変わる水たまりの写真
図3.人体に生息するアーキアもいるが、人の病原体となるものはない。 イエローストーン国立公園の温泉「モーニング・グローリー・プール」のような極限環境に生息する古細菌もいる。 プールの色の違いは、さまざまな水温で繁栄できる微生物のコミュニティが異なることに起因します。

考えてみよう

  • 原核生物には、主にどのような2種類があるか？

真核微生物

ドメインEukaryaは、原生生物、真菌、植物、動物などの単細胞または多細胞真核生物など、すべての真核生物を含んでいます。

原生生物

原生生物は、植物でも動物でも菌類でもない単細胞の真核生物である。

黒い背景で細胞が光っている光顕写真。 細胞は円形から長方形の積み重ね、アーモンド型までさまざまな形をしている。 スケールバーは、この図で100ミクロンがどのくらいのスペースを占めているかを示しています。
図4. 南極のマクマード海には、藻類の一種である珪藻類が毎年海氷の中に生息している。 珪藻の大きさは2μmから200μmで、ここでは光学顕微鏡で可視化している。 (出典: National Oceanic and Atmospheric Administrationの著作を改変)

藻類（単数形：alga）は、単細胞または多細胞の植物様の原生生物である（図4）。 細胞は、炭水化物の一種であるセルロースでできた細胞壁に囲まれています（図4）。 藻類は光合成を行う生物であり、太陽からエネルギーを得て、酸素と炭水化物を環境中に放出する。 藻類は、その廃棄物を他の生物がエネルギーとして利用できるため、多くの生態系で重要な役割を担っている。 多くの消費者向け製品には、カラギーナンやアルギン酸など、藻類に由来する成分が含まれており、アイスクリーム、サラダドレッシング、飲料、口紅、歯磨き粉の一部のブランドに含まれている。 また、微生物学の研究室でも、藻類由来の成分が重要な役割を果たしている。 藻類由来のゲルである寒天は、様々な栄養素と混ぜ合わせ、シャーレの中で微生物を増殖させるのに使用することができます。

原生生物（単数形：protozoan）は、他の生物に栄養を供給することによって、多くの食物網の骨格を構成している原生生物です。 原生生物は非常に多様である。 原生動物の中には、繊毛と呼ばれる毛のような構造や、鞭毛と呼ばれる鞭のような構造の助けを借りて動くものもいます。 また、細胞膜や細胞質の一部を伸ばして前進するものもあります。 このような細胞質の延長は仮足と呼ばれる。 光合成をする原生動物もいれば、有機物を餌にする原生動物もいる。 また、自由に生きているものもあれば、宿主の生物から栄養分を摂取してのみ生きている寄生虫もいます。 ほとんどの原生生物は無害ですが、中には動物や人間に病気を引き起こす病原体もあります（図5）。

SEM顕微鏡写真。 細胞の大きさは約3×8µm。
図5. ヒトをはじめとする哺乳類に感染し、激しい下痢を引き起こす腸管寄生原虫ジアルジア・ラムビア。 (出典：Centers for Disease Control and Preventionの作品を改変)

菌類

菌類（単数：fungus）も真核生物である。 キノコのような多細胞の菌類は植物に似ているものもありますが、実際は全く違います。

背景がはっきりしていて、細胞が青い光顕写真。 長い細胞列が中心のストランドを形成している。 これに多数の球状細胞のクラスターが付着している。 各細胞の大きさは約5μmで、核を含んでいる。
図6. カンジダ・アルビカンスは単細胞の真菌（酵母）である。 膣内イースト菌感染症の原因菌であり、乳幼児によく見られる口腔内のイースト菌感染症である鵞口瘡（がこうそう）の原因菌である。 C. albicansの形態は大腸菌に似ているが、酵母は真核生物であり（核に注意）、はるかに大きい。 (出典: Centers for Disease Control and Preventionの作品を改変)

単細胞真菌-酵母は、微生物学に含まれます。 1000以上の種が知られています。 酵母は、深海から人間のへそまで、さまざまな環境に生息しています。 酵母の中には、パンを膨らませたり、飲み物を発酵させたりと、有益な働きをするものもあれば、食べ物を腐らせるものもある。 4496>

微生物学者にとって興味深い他の真菌は、カビと呼ばれる多細胞生物である。 カビは長いフィラメントでできており、目に見えるコロニーを形成する（図7）。 カビは、土や腐った食品、じめじめした浴室の隅など、さまざまな環境に存在する。 カビは、植物や動物の死骸の分解に重要な役割を担っています。 カビの中にはアレルギーを引き起こすものや、マイコトキシンと呼ばれる病気の原因となる代謝産物を生成するものがあります。

カビの生えたオレンジの箱の写真
図7.カビは医薬品の原料として使用されている。

考えてみよう

  • 2種類の原生生物と2種類の真菌を挙げなさい。

蠕虫

蠕虫と呼ばれる多細胞寄生虫は、ほとんどが顕微鏡でなければ見えないほど大きいので、厳密には微生物ではありません。 しかし、蠕虫によって引き起こされる病気には、微小な卵や幼虫が関わっているため、これらの虫は微生物学の分野に属しています。 蠕虫の一例として、モルモット（Dracunculus medinensis）がある。この虫はめまい、嘔吐、下痢を起こし、皮膚から外に出ると足腰に痛みを伴う潰瘍ができる（図8）。 感染経路は、通常、モルモット虫の幼虫に感染したミジンコを含む水を飲んだ後に発症する。 1980年代半ばには、推定350万人のモルモット病患者がいましたが、現在ではほぼ根絶しています。 2014年には、世界保健機関（WHO）をはじめとする飲料水の衛生改善に取り組む団体の連携により、126例の報告しかありませんでした。

図aは、黒地に長く平たい白い虫を前後に折りたたんで撮影したものです。 図bは患者の病変部である。 病巣から虫を引き抜き、マッチ棒に巻きつけているところ
図8. (a）牛条虫（Taenia saginata）は、牛とヒトの両方に感染する。 T. saginataの卵は50μm程度と微小だが、ここに示すような成虫は4〜10mに達し、消化器官に住み着く。 (b)患者の皮膚の病巣から、マッチ棒に巻きつけて除去したモルモット成虫。 (クレジット a、b：Centers for Disease Control and Preventionの作品を改変)

ウイルス

ウイルスは細胞性の微生物で、細胞で構成されていないことを意味しています。 基本的に、ウイルスはタンパク質と遺伝物質（DNA または RNA のいずれか、ただし両方はない）から構成されており、宿主である生物の外では不活性である。

ウイルスは、ヒトの細胞から他の微生物の細胞まで、あらゆる種類の細胞に感染することができます。 ヒトの場合、ウイルスは、風邪から致死性のエボラ出血熱まで、数多くの病気の原因となっている（図9）。 しかし、多くのウイルスは病気を引き起こさない。

図AはTEM顕微鏡写真で、大きな円の縁からたくさんの小さな突起が外側に突き出ているのがわかる。 スケールバーは、この顕微鏡写真に対して50ナノメートルがどの程度の大きさであるかを示している。 図Bは、結び目状の構造を形成する長い赤色のストランドを示すTEM顕微鏡写真である
図9。 (a）コロナウイルス科のメンバーは、風邪、重症急性呼吸器症候群（SARS）、中東呼吸器症候群（MERS）などの呼吸器感染症を引き起こす可能性がある。 ここでは透過型電子顕微鏡（TEM）で観察している。 (b)TEMで可視化したフィロウイルス科のエボラウイルス。 (クレジット a: Centers for Disease Control and Prevention による改変、クレジット b: Thomas W. Geisbert による改変)

考えてみよう

  • 蠕虫は微生物か？
  • ウイルスは他の微生物とどう違うのですか？

畑で卵を測る人
図10.卵は微生物ですか？ 鳥類のインフルエンザを引き起こすA型インフルエンザウイルスを検査するために、ウイルス学者がこの巣から卵を採取している。 (credit: U.S. Fish and Wildlife Service)

Microbiology as a Field of Study

微生物学は、あらゆる種類の微生物を研究対象とする広い言葉です。 しかし実際には、微生物学者はいくつかのサブフィールドのうちの1つを専門にする傾向があります。 たとえば、細菌学は細菌の研究、真菌学は真菌の研究、原虫学は原虫の研究、寄生虫学は蠕虫およびその他の寄生虫の研究、そしてウイルス学はウイルスの研究である（図10）。

この教科書では、主に微生物学の臨床応用を扱っていますが、微生物学のさまざまなサブフィールドは非常に相互関係が深いため、厳密には臨床ではない応用について説明することもあります。

Bioethics in Microbiology

1940年代、米国政府は兵士の間に性感染症（STD）が蔓延しているという医療問題の解決策を探していた。 現在では有名な政府出資の研究がいくつかあり、一般的な性病とその治療法を研究するために人間を被験者に使っていました。 その中の一つに、アメリカの研究者がグアテマラで1300人以上の被験者を意図的に梅毒、淋病、下疳にさらし、ペニシリンや他の抗生物質がこれらの病気に対抗できるかを調べた研究がある。 この研究の対象には、グアテマラの兵士、囚人、売春婦、精神科の患者などが含まれており、彼らは誰もこの研究に参加していることを知らされていませんでした。 研究者たちは、感染した売春婦と性交したり、性病の原因とされるバクテリアを接種したりと、様々な方法で被験者を性病にさらしました。 後者は、被験者の性器や体のどこかに小さな傷を作って、そこに直接細菌を入れるという方法である。 2011年、この実験を調査する任務を負った米国政府の委員会は、被験者の一部だけがペニシリンで治療され、83人の被験者が1953年までに死亡し、おそらくこの研究の結果であったことを明らかにしました。 たとえこの研究が生命を救う医学的発見につながったとしても（そうはならなかった）、その方法が倫理的に健全であり、道徳的に正当であると主張する人はほとんどいないでしょう。 しかし、すべてのケースがそうであるとは限りません。 臨床現場で働く専門家は、ワクチンや救命輸血を拒否する患者を扱うなど、頻繁に倫理的ジレンマに直面する。 これらは、患者と医療従事者双方の宗教的、哲学的信念と交差する可能性のある、生死を分ける決断のほんの2例です。

どんなに崇高な目標であっても、微生物学の研究と臨床実践は、一定の倫理原則に導かれていなければなりません。 研究は誠実に行われなければならない。 患者や研究対象者は、インフォームド・コンセント（治療や研究に同意するだけでなく、研究の目的や関連するリスクについて理解していることを示すこと）を提供しなければならない。 患者さんの権利が尊重されなければならない。 手続きは、施設内審査委員会によって承認されなければならない。 患者を扱う場合、正確な記録の保持、誠実なコミュニケーション、および守秘性が最も重要である。 研究に使用する動物は人道的に扱わなければならず、すべてのプロトコルは、施設の動物管理・使用委員会の承認を受けなければならない。 これらは、本書中の「Eye on Ethics」ボックスで探求されている倫理原則のほんの一部です。

クリニカル・フォーカス コーラ、解決

この例は、「先祖が知っていたこと」と「体系的アプローチ」で始まったコーラの物語を締めくくります。

コーラの髄液サンプルには、ウイルス感染で予想されるような炎症や感染の徴候はありません。 しかし，彼女の髄液には14-3-3蛋白という特殊な蛋白が高濃度に含まれている。 脳機能の脳波も異常である。 脳波はアルツハイマー病やハンチントン病などの神経変性疾患の患者のものと似ているが、コーラの急速な認知機能の低下はこれらの病気とは一致しない。

CJD は非常にまれな病気で、米国では毎年約 300 人が発症しています。 この病気は、細菌、カビ、ウイルスではなく、プリオンによって引き起こされます。 ウイルスと同様、プリオンは無細胞であるため、生命の樹には存在しない。 プリオンは非常に小さく、典型的なウイルスの10分の1ほどの大きさである。 プリオンは遺伝物質を含まず、一種の異常なタンパク質のみで構成されています。

CJD にはいくつかの原因があります。 感染した人や動物の脳や神経系の組織に触れることで発症することがあります。 感染した動物の肉を摂取することは、そのような曝露が起こる方法の一つです。 また、汚染された手術器具との接触や、CJD と知らずに角膜や成長ホルモンの提供を受けた人が CJD に感染した例も稀にあります。 まれに、この病気は特定の遺伝子変異に起因するもので、時には遺伝することがあります。 しかし、CJD患者の約85％では、原因が特定できない自然発症（散発性）である。 コーラは、その症状と進行の速さから、散発性CJDと診断されました。

コーラにとって残念なことに、CJDは承認された治療法がない致死性の病気です。 コーラにとって残念なことに、CJDは治療法が確立されていない致命的な病気です。患者の約90％は、診断から1年以内に死亡します。 彼女の医師は、病気の進行に伴い、痛みや認知症状を抑えることに専念しています。 8ヵ月後、コーラは死亡した。

Key Concepts and Summary

  • 微生物は非常に多様で、生命の3つの領域すべてで見られます。
  • 古細菌とバクテリアは、細胞核を持たないので、原核生物に分類されます。 古細菌は、進化の歴史、遺伝学、代謝経路、および細胞壁と膜の構成において細菌と異なる。
  • 古細菌は地球上のほぼすべての環境に生息しているが、人間の病原菌として確認された古細菌はない。
  • 微生物学で研究されている真核生物には、藻類、原生動物、真菌および蠕虫が含まれる。
  • 藻類は単細胞または多細胞の植物様生物であり、光合成によってエネルギーを得る。
  • 原虫は複雑な細胞構造を持つ単細胞生物であり、ほとんどは運動性である。 その卵や幼虫はしばしば顕微鏡であるため、それらは微生物学の分野に含まれています。
  • ウイルスは、繁殖するために宿主を必要とする無細胞微生物です。 微生物学者は通常、多くの下位分野の1つを専門としていますが、すべての医療専門家は臨床微生物学の強固な基礎を必要とします。

複数選択

次の微生物のうち、光合成を行うものはどれか

  1. 酵母
  2. ウイルス
  3. 蠕虫
  4. 藻

答えを見る
答えd.は？ 藻類は光合成を行う。

原核微生物であるものはどれか。

  1. 蠕虫
  2. 原虫
  3. 藍色細菌
  4. 黴

回答
回答c. 藍色細菌は原核微生物である。

無細胞型はどれか

  1. ウイルス
  2. 細菌
  3. 真菌
  4. 原生動物

答えを見るa. ウイルスは無細胞型です

菌類微生物の一種として次のうちどれか

は？

  1. 細菌
  2. 原生動物
  3. 藻類
  4. 酵母

Show Answer
回答d. 酵母も菌類微生物の1種である。

次のうち、微生物学の下位分野でないものはどれか。

  1. 細菌学
  2. 植物学
  3. 臨床微生物学
  4. ウイルス学

答えを見る
答えb.

Fill in the Blank

a _______ is a disease-causing microorganism.

Show Answer
a pathogen is a disease causing microorganism.

Multicellular parasitic worm studied by microbiologists are called ___________.このように、微生物学者は、病気を引き起こす微生物と、病気を引き起こす多細胞の寄生虫を研究しています。

解答を見る
微生物学者によって研究される多細胞寄生虫は蠕虫と呼ばれる。

ウイルスの研究は___________である。

解答を見る
ウイルスの研究はウイルス学である。

原核生物の細胞には______がない。

答えを見る
原核生物の細胞には核がない

考えてみよう

  1. 細菌と古細菌の違いを述べよ
  2. 種々の原虫が運動するのに用いる構造を3つ挙げよ

    4. 原虫が運動するのに用いた構造は何か

    5. 原虫が運動するのに用いた構造は何か 原虫が運動するのに用いた構造は何か

  5. ウイルス、バクテリア、植物や動物の細胞の実際のサイズと相対的なサイズを説明しなさい。
  6. 細胞の外側と内側のウイルスの行動を対比しなさい。
  7. ウイルス、バクテリア、動物細胞、プリオンはこのチャートのどこに属するでしょうか。

下部のバーは、いろいろな物のサイズを示しています。 右端は約1mmの鶏卵。 左は人間の卵と花粉の粒で約0.1mm。 次に、10μm弱の赤血球。 次に、ミトコンドリアの大きさは約1μmです。 次に、5～10 nmのタンパク質。 次に、2～5 nmの脂質です。 次にC60（フラーレン分子）で、約1nmです。 最後に原子が約0.1nmです。

  1. P. Rudge et al. “Iatrogenic CJD Due to Pituitary-Derived Growth Hormone With Genetically Determined Incubation Times of Up to 40 Years.”（下垂体由来の成長ホルモンに起因する偶発的なCJD。 Brain 138 no.11 (2015): 3386-3399. ↵
  2. Kara Rogers. “グアテマラ梅毒実験。 アメリカの医学研究プロジェクト”. Encylopaedia Britannica. http://www.britannica.com/event/Guatemala-syphilis-experiment. 2015年6月24日アクセス。 ↵
  3. Susan Donaldson James. “梅毒実験の衝撃、しかし第三世界の薬物実験も同様”. ABCワールドニュース. 2011年8月30日。 http://abcnews.go.com/Health/guatemala-syphilis-experiments-shock-us-drug-trials-exploit/story?id=14414902. 2015年6月24日アクセス。 ↵
  4. C. Greenaway “Dracunculiasis (Guinea Worm Disease)”. Canadian Medical Association Journal 170 no.4 (2004):495-500. ↵
  5. 世界保健機関. “ドラクンキュリア症（ギニアワーム病）”. WHO. 2015. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs359/en/. 2015年10月2日アクセス。 ↵
  6. Greg Botelho. “ニューハンプシャー州でクロイツフェルト・ヤコブ病の患者が確認される”. CNN. 2013. http://www.cnn.com/2013/09/20/health/creutzfeldt-jakob-brain-disease/. ↵
  7. J.G.Heckmann et al. “Transmission of Creutzfeldt-Jakob Disease via a Corneal Transplant.”. ジャーナル・オブ・ニューロロジー、ニューロサージェリー&精神医学 63 no.3 (1997): 388-390. ↵
  8. National Institute of Neurological Disorders and Stroke（国立神経疾患・脳卒中研究所）. “クロイツフェルト・ヤコブ病ファクトシート”. NIH. 2015. http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm#288133058. ↵
  9. National Institute of Neurological Disorders and Stroke（国立神経疾患・脳卒中研究所）. “クロイツフェルト・ヤコブ病ファクトシート”. NIH. 2015. http://www.ninds.nih.gov/disorders/cjd/detail_cjd.htm#288133058. 2015年6月22日にアクセス。 ↵

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。