大腸菌の細胞質の酸性化はストレスに対処し、抗生物質耐性化を促進する

Acidification of Cytoplasm in Escherichia coli Provides a Strategy to Cope with Stress and Facilitates Development of Antibiotic Resistance.

• Esmeralda Z Reyes-Fernández
• Shimon Schuldiner

抄録

抗生物質耐性（AMR）の問題意識が高まり、薬剤耐性感染症が臨床医の喫緊の課題として挙げられています。細菌は様々なメカニズムで抗生物質に対する耐性を獲得することができますが，その多くはpHに依存した代謝状態の変化を伴うため，様々な生化学反応を変化させることになります。本研究では、大腸菌の細胞質pHの変化が、これまでにない抵抗性獲得のための方法を提供することを発見した。本研究では、細胞質pHの酸性化が、これまで認識されていなかったmarRABオペロンの活性化の結果であることを示した。この酸性化自体が抵抗性表現型の完全な発現に寄与している。我々は、我々の研究室で開発した、marRABオペロンを活性化するmarRに変異を持つ2つの耐性株のpHを測定した。その結果、両株のpHは野生型株よりも低い値を示した。両方の株でmarRAB応答を不活性化すると抵抗性が弱まり、pHは野生型のレベルに戻った。同様に、野生型細胞を細胞質を酸性化させる弱酸に曝露すると、marRAB応答とは無関係に抵抗性の表現型が誘導されることを示した。marRAB応答の活性化によってもたらされる細胞質pHの低下は、代謝経路を修飾するシグナル伝達機構を提供し、ストレスに対処し、代謝コストを低下させる役割を果たしているのではないかと推測している。

Awareness of the problem of antimicrobial resistance (AMR) has escalated, and drug-resistant infections are named among the most urgent issues facing clinicians today. Bacteria can acquire resistance to antibiotics by a variety of mechanisms that, at times, involve changes in their metabolic status, thus altering diverse biochemical reactions, many of them pH-dependent. In this work, we found that modulation of the cytoplasmic pH (pH) of Escherichia coli provides a thus far unexplored strategy to support resistance. We show here that the acidification of the cytoplasmic pH is a previously unrecognized consequence of the activation of the marRAB operon. The acidification itself contributes to the full implementation of the resistance phenotype. We measured the pH of two resistant strains, developed in our laboratory, that carry mutations in marR that activate the marRAB operon. The pH of both strains is lower than that of the wild type strain. Inactivation of the marRAB response in both strains weakens resistance, and pH increases back to wild type levels. Likewise, we showed that exposure of wild type cells to weak acids that caused acidification of the cytoplasm induced a resistant phenotype, independent of the marRAB response. We speculate that the decrease of the cytoplasmic pH brought about by activation of the marRAB response provides a signaling mechanism that modifies metabolic pathways and serves to cope with stress and to lower metabolic costs.