大腸菌

大腸菌（Escherichia coli: IPA: ）は、哺乳類の下腸に腸内細菌として生息する、よく知られた重要な細菌種の一つです。 人間が1日に排泄する糞の中に含まれる大腸菌の個体数は、平均して1,000億～10兆個と言われています。 このため、大腸菌は糞便汚染の指標として水質分析に用いられてきた。

大腸菌は、哺乳類に存在する数多くの微生物種の一つに過ぎません。 例えば、人間の大腸には700種以上の細菌が生息しています。 これらは様々な機能を果たし、宿主生物にとって多くの利益をもたらします。 例えば、細菌は、脊椎動物にとって難消化性の分子の多くを消化できる酵素を生産したり、少量のビタミンを生産して血液に吸収させたり、有害な細菌によるコロニー化を防いだりしている。 大腸に存在する大腸菌は、老廃物の処理、ビタミンKの生成、食物の吸収など、宿主生物に同じ価値を提供している。

大腸菌は、突然変異や高頻度の組み換え（コンジュゲーション）により、ますます多くの菌株が存在しています。 大腸菌は、一般的には無害な腸内フローラとして認識されていますが、日和見性があり、その中には様々な病気の重大な原因菌として同定されているものもあります。

大腸菌は、1885年にドイツの小児科医・細菌学者であるTheodor Escherichによって発見されて以来(Feng et al. 2002)、人間と密接に関わっていることから、理論的にも実践的にも盛んに研究されてきました。

一般的な特徴

大腸菌は棒状で、グラム陰性、通性嫌気性、乳酸発酵、無端胞子性の微生物です。 大腸菌の細胞は、長さ1～2μm、直径0.1～0.5μmの棒状です。 鞭毛は10本あり、周期的に配列されています。 大腸菌の株は、コリシノジェニー因子またはcolプラスミド（染色体外DNAリング）から構成されており、同属の他の株に対する毒素であるコリシンと呼ばれるバクテリオシンの生産を担っています。

大腸菌の連続した二分一分裂のモデル

E. 大腸菌は、サルモネラ、シゲラ、エルシニアなどの有名な病原体を含む多くの属を含む腸内細菌科のメンバーです。 腸内細菌科の学名の語源の一つである「enteric」は腸を意味し、「fecal」と同義語として用いられることが多い。 糞便性大腸菌（E. coli）と、土壌や腐敗した植物に生息する非常によく似た（双子の）細菌（Enterobacter aerogenes）は、すべて大腸菌群という名前でまとめられています。 専門的には、「大腸菌群」とは、35℃（95°F）で48時間以内にガスを発生させて乳糖を発酵させる好気性および通性嫌気性の非胞子性グラム陰性桿状細菌のすべてを指すと定義されています。 体内では、このガスは鼓腸として放出される。

大腸菌は他の細菌と同様、二分一分裂によって植物的に増殖する。 また、F因子(fertility factor or sex factor)の存在により、生物間でDNAを横に移動させるコンジュゲーション(conjugation)をちらほらと行っている。 F因子は細菌のDNA配列で、細菌が接合に必要な性ピルスと別の接合体との接合橋を作り出すことを可能にする。 20個のトラ（「転送」の意）遺伝子のほか、不適合や複製などの機能を担う多数の遺伝子配列が含まれている。 大腸菌でコンジュゲーションを行うと、2つのコンジュガントの間で遺伝物質が移動し、高頻度の組換え体（別のコンジュガントの染色体DNAをプラスミド、すなわちF因子の一部として受け取っている株）が生成される可能性がある。

大腸菌は宿主の外でもしばらくは生存することができますが、芽胞を形成しないため、より厳密な殺菌工程を必要とせず、低温殺菌や単純な煮沸によって、すべての活性菌の殺菌を容易に行うことができます。

菌株

大腸菌の「菌株」とは、他の大腸菌群と区別できる何らかの特徴を持った群のことです。 これらの違いは、多くの場合、分子レベルでしか検出できませんが、細菌の生理やライフサイクルに変化をもたらし、例えば、病原性（ある生物が他の生物に病気を引き起こす能力）のレベルの違いにつながります。

大腸菌は異なる種類の動物に生息しているため、水に含まれる糞便が人間のものなのか鳥のものなのかを追跡することができます。

大腸菌は自然な生物学的プロセスである突然変異によって常に新しい株が生まれ、その中には宿主である動物にとって有害な性質を持つものもあります。 健康な成人であれば、このような菌株に感染しても下痢程度の症状で済み、全く症状が出ないこともあるが、幼児や病気の人、特定の薬を服用している人などでは、重症化して死に至ることもある。 大腸菌O157:H7は、ヒトに病気を引き起こす病原性を持つ数百種類の菌株の一つである(CCID/DBMD 2006)。

大腸菌とその関連細菌は、菌体結合やバクテリオファージを介してDNAを伝達する能力を持っているため、新しい変異は既存の集団の中でより広く拡散する。

菌名のアルファベットと数字の組み合わせは、菌の表面にある特定の目印を意味し、他の大腸菌と区別される。

Extended-Spectrum Beta-Lactamase (ESBL)producing E.coliは、抗生物質に耐性のある菌株である。 彼らは拡張スペクトルβラクタマーゼと呼ばれる酵素を産生し、抗生物質に対して耐性を持つため、感染症の治療が困難になります。

大腸菌の検出

大腸菌を検出することは、関連する疾患を診断する唯一の確実な方法です。 さらに、大腸菌の存在を検出したり、その数を数えたりすることで、糞便汚染の深刻さを評価し、適切な提案を行うことができます。

哺乳類の腸に適応した結果、大腸菌は、土壌などの低温環境ではなく、生体内やそのような環境に特徴的な高温環境で最もよく生育するようになりました。 大腸菌群は、乳糖-ペプトン-栄養培地（例えば、メルク社製のMac-Conkey broth）で37℃で48時間培養し、酸やガスを産生できるかどうかを確認することで、非常に簡単に他の菌と区別することができる。

糞便性大腸菌をさらに分化させるために、乳糖-ペプトン-エオシン-メチルブルー（EMB）寒天培地で培養する。 この培地を37℃で48時間培養すると、E.coliは光を反射して金属的な輝きを持つ青黒いコロニーに発育し、Enterobacterは赤みを帯びたヌルヌルしたコロニーを形成する。

糞便中の汚染物質(E.coliなど)と非汚染物質(Enterobacterなど)を完全に区別するために、一連の生化学的検査が行われている。 これらの試験では、トリプトファンからのインドールの生成（インドール試験）、メチルレッドインジケーターに赤色をもたらす強酸の生成（メチルレッド試験）、アセトインの生成（Voges-Proskauer試験）、唯一の炭素源としてのクエン酸の使用（クエン酸試験）が行われる。

病気の原因物質

ほとんどの菌株は無害であるが、E. coli O157:H7株は強力な毒素を産生し、重篤な病気を引き起こす。 そのため、E. coli O157:H7は食品を媒介とした疾病の主要な原因となっている(CDC 2006)。 大腸菌は一般的に、尿路感染症、髄膜炎、腹膜炎、乳房炎、敗血症、グラム陰性肺炎など、いくつかの腸管および腸管外の感染症を引き起こす。 大腸菌が穿孔（潰瘍、虫垂の破裂、手術ミスなどによる穴や裂け目）を通って腸管から腹部に侵入すると、通常は腹膜炎を引き起こし、早急な治療がなければ命に関わることもあります。

感染経路

大腸菌O157の主な感染源は牛であり、健康な牛、鹿、山羊、羊などの腸内に生息しており、牛の糞尿も重要な感染源である。 そのため、ほとんどの病気は、加熱が不十分で汚染された牛肉を食べたことによるものである。 毒素原性大腸菌は、毒素に耐性のある動物にも生息しているため、農場や動物園などでの直接の接触で感染する可能性があります。 しかし、汚染されたサラミ、もやし、レタスやホウレンソウなどの新鮮な葉物野菜を食べて発病する人もいます。

家庭や保育園などでの人と人との接触も感染経路として知られています。 大腸菌に感染した人は非常に感染力が強いです。

また、E.coliの菌株、特にO157:H7は、養牛場の汚物バエやイエバエにも存在し、それらによって感染することが明らかになっている(Szalanski et al. 2004; Alam et al. 2004)。 また、ミバエが傷ついた果物に感染し、そこから人が食べることで感染する可能性もあります（Sela et al.2005）。

消化器系感染症

腸管型E.

腸管型大腸菌は、病原性の違いにより、腸内毒素型（ETEC、ヒト、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ウシ、イヌ、ウマの下痢の原因菌）、腸管病原型（EPEC、ヒト、ウサギ、イヌ、ネコ、ウマの下痢の原因菌）、腸管侵襲型（EIEC、イヌ、ネコ、ウマの下痢の原因菌）に分けられる。 腸管侵襲性（IECEC、ヒトのみに存在）、verotoxigenic（VTEC、ブタ、ウシ、イヌ、ネコに存在）、腸管出血性（EHEC、ヒト、ウシ、ヤギに存在）、ヒトのEPEC株と同様に腸管にコロニーを形成する攻撃型ブタ株、腸管凝集性のE.

Escherichia coli O157:H7やE.coli O104:H21などの特定の大腸菌は毒素を持ち（赤痢によく似た毒素を出すものもある）、通常はチーズや汚染された肉（屠殺時や直後、保存中や陳列中に汚染されたもの）を食べることで食中毒を引き起こすことがある。

この菌株は、2006年に米国で発生した生鮮ホウレンソウに関連した大腸菌のアウトブレイクと関連があると考えられています。 この病気の重症度はかなり異なります。

大腸菌は熱安定性エンテロトキシンと熱不活性エンテロトキシンの両方を保有しています。 後者はLTと呼ばれ、構造と機能がコレラ毒素に非常によく似ています。 LTは、1つのAサブユニットと5つのBサブユニットが1つのホロトキシンに配置されています。 Bサブユニットは、毒素が宿主の腸管細胞に付着・侵入するのを助け、Aサブユニットが切断されて細胞の水分吸収を妨げ、下痢を引き起こす。

大腸菌は、可溶性のアミロイドオリゴマーを産生し、宿主細胞やお互いに結合する繊維のネットワークであるクルリとして沈殿させる特異的な核形成-沈殿装置を持っている。

尿路感染症

尿路が短いため女性に多いとされていますが、尿路感染症は男性でも女性でも起こります。 また、高齢者ではほぼ同程度の割合で見られます。 上行性感染症」と呼ばれるように、細菌は必ず尿道から尿路に入りますので、トイレの習慣が悪いと感染しやすくなります。 しかし、その他の要因（女性の場合は妊娠、男性の場合は前立腺肥大）も重要であり、発端となる事象がはっきりしない場合も少なくありません。 下部尿路感染症や膀胱炎では一般的に上行性感染が多いのですが、腎盂腎炎などの上部尿路感染症では必ずしもそうではなく、血行性感染の場合もあります。 女性の下部尿路感染症のほとんどは良性であり、徹底的な検査を必要としません。 しかし、幼児の尿路感染症は、先天性尿路異常の有無を確認するために、逆行性尿道造影法などの画像検査を行う必要があります。

大腸菌O:157H:7は、出血性尿毒症症候群(HUS)のような、生命を脅かすような重篤な合併症を引き起こすことでも知られています。 HUSは、溶血性貧血、血小板減少症、腎不全などの症状を引き起こします。 下痢の症状が重く、医療機関を受診した人の約8％がこの合併症を発症しています。

E. coli感染症の治療

抗生物質療法

E. coli感染症の適切な治療は疾患に依存し、可能な限り感染株の抗生物質感受性の実験的分析によって導かれるべきである。 大腸菌は、グラム陰性菌であるため、グラム陽性菌に有効な多くの抗生物質に対して耐性がある。 大腸菌感染症の治療に用いられる抗生物質には、アモキシシリンをはじめとする半合成ペニシリン系抗生物質、多くのセファロスポリン系抗生物質、カルバペネム系抗生物質、アズトレオナム、トリメトプリム-スルファメトキサゾール、シプロフロキサシン、ニトロフラントイン、アミノグリコシド系抗生物質などがありますが、これらに限定されるものではありません。 大腸菌によるすべての病気にすべての抗生物質が適しているわけではありませんので、医師の助言を仰ぐ必要があります。

抗生物質の耐性が問題になっています。 この原因の一部は、人間における抗生物質の使い過ぎによるものですが、一部は食用動物における成長促進剤としての抗生物質の使用によるものと思われます(Johnson et al. 2006)。 β-ラクタム系抗生物質に対する耐性は、ここ数十年でより深刻になっており、拡張スペクトルβ-ラクタマーゼを産生する菌株は、ペニシリン系やセファロスポリン系のすべてではないにせよ、その多くを治療に用いることができなくなっている。

大腸菌は、多種類のバイオフィルムに頻繁に参加しており、中にはFプラスミドを持つ菌株もあり、同種や異種の他の細菌からプラスミドを受け入れたり、転送したりすることができる。 大腸菌はしばしば多剤耐性プラスミドを持ち、ストレス下ではそれらのプラスミドを容易に他の種に移す。

しかしながら、大腸菌はストレプトマイシンやゲンタマイシンなどの抗生物質に非常に感受性が高いため、これらの抗生物質による治療は通常有効です。 しかし、前述のように、大腸菌は薬剤耐性を急速に獲得するため、この状況は急速に変化する可能性がある（NIH 2001）。

ファージ療法

ファージ療法とは、病原性細菌を特異的に攻撃するウイルスを用いた治療法です。 主に旧ソ連で過去80年間に開発され、赤軍で大腸菌による下痢の予防などに使用され、広く市販されていました。

ワクチン

大腸菌のワクチンは長年にわたって開発されてきました（Girard et al.2006）。 2006年3月には、緑膿菌の組換え外毒素A(O157-rEPA)を結合させた大腸菌O157:H7 O-特異的多糖体に対する免疫反応を誘発するワクチンが、2〜5歳の小児において安全かつ免疫原性を有することが報告された。 また、成人においても安全性と免疫原性が既に証明されています。 大規模な有効性を検証する第3相臨床試験が計画されている(Ahmed 2006)。

2007年1月、カナダのバイオ製薬会社Bioniche社は、糞尿中に排出される細菌数を1,000分の1に減らし、糞尿1gあたり約1,000個の細菌にする牛用ワクチンを開発したと発表した(Pearson 2007; CanadaAM 2007; BionichePR 2007)。

微生物学上の意義

大腸菌はその偏在性から、微生物学上で頻繁に研究されており、一般的には細菌研究のモデル生物として用いられています。 その構造はすでに明確に解明されており、生命科学の初・中・上級者には格好のターゲットとなる。 大腸菌では、受胎調節因子（F-プラスミド）と細菌の結合が最初に発見され、現在でも結合や遺伝子導入を研究するための主要なモデルとなっています。

現在の分子生物学の「主力」です。 実験室で使用されている菌株は、その環境に効果的に適応しており、哺乳類の腸内での生活には、もはや野生型ほど適応していません。 主な適応点は、抗体やその他の化学的攻撃から身を守るために、野生型が作り出す大量の外部バイオフィルム・ムコ多糖が失われたことであるが、これは生物のエネルギーと物質的資源を大量に消費する必要がある。

このように実験室で培養されてきた大腸菌は、現代の生物工学において重要な役割を果たしています。 研究者は、DNAやタンパク質を合成する「工場」として大腸菌を改変し、工業的な発酵プロセスを用いて大量に生産することができます。 組換えDNA技術の最初の有用な応用例のひとつは、大腸菌を操作して糖尿病患者のためにヒトインスリンを生産することだった。 科学者たちは、がん細胞を標的にして殺すことができる大腸菌を合成しています(Singer 2006)。

水の純度や下水処理を決定する上での意義

水の微生物学的検査に基づいて、その可搬性(飲用に適しているかどうか)を確認することができます。

浄水や下水処理の分野では、水の汚染度、つまり人の糞便の量を示す「指標」として、技術開発のごく初期に大腸菌が選ばれました。 大腸菌が検出に使われているのは、大腸菌が人や動物の腸内微生物の約10％を占めているからで、結果的に人の糞便には病原菌よりも大腸菌群の方が多く含まれていることになる。 サルモネラ菌は腸チフスの原因となる病原体の一例です）。

水の中の大腸菌の存在を調べるには、伝統的に3つの日常的な標準検査が行われてきました。 (a) 推定検査、(b) 確認検査、(c) 完全検査です。 推定検査では、乳糖発酵によるガス発生の観点から大腸菌群を観察するだけである。 ガス発生は糞便性汚染物質だけでなく、非糞便性汚染物質や非大腸菌群によっても発生するため、推定検査で陽性のものは確認検査でさらに分析される。 ここでは、EMB-agar培地でコロニーが示す金属光沢など、糞便性大腸菌（E.coli）の特徴が検査される。

さらに、MPN（most probable number）法を用いて、水サンプルの単位体積あたりの大腸菌群数および大腸菌数を推定することができる。 また、MPN（most probable number）検査により、単位体積あたりの大腸菌群や大腸菌の数を推定することができます。

しかし、製紙工場のように大腸菌がよく繁殖する環境もあるため、大腸菌だけを人の糞便汚染の指標とするのは誤解を招くことがあります。 他の場所では、より高度な検査がそれに取って代わっています。