O157と腸管出血性大腸菌感染症〜オゾン除菌の意義を考える

 

腸管出血性大腸菌感染症を引き起こすO157は大腸菌の一つの株であり、病原性をもっていること以外はヒトの常在菌である大腸菌と構造上はほとんど同じであることが知られています。そのため、オゾンによって除菌は可能なのですが、そもそもO157はどうやって腸管出血性大腸菌感染症を発症するのか、その毒素であるベロ毒素に着目して解説しながら、オゾンによる除菌の意義を考えていきたいと思います。

O157と腸管出血性大腸菌感染症〜オゾン除菌の意義を考える

オゾン・オゾン水とは

オゾン・オゾン水とは

オゾン(O 3)とは酸素(O 2)の同位体で、酸素にもう一つOが結合した化学式O 3で表されます。オゾンは発生器で容易に発生でき、抗菌・抗ウイルス効果を示し、すばやく空気中の酸素に戻ることができるため、除菌と消毒ができる地球にやさしい抗菌物質として注目されています。

オゾン水とはオゾンが溶けこんだ水です。オゾン水のオゾンは酸化によって除菌した後に水に戻ることができるので、こちらも人体への害を考えずに使うことができる消毒・除菌薬として利用されています。オゾンはO157と呼ばれる病原性大腸菌の一種においても除菌・殺菌効果を示すことが報告されています。

O157とは

O157とは

O157とは病原性大腸菌の中の株の種類の一つで、食中毒の原因菌として皆さんもご存じかと思います。国立感染症研究所のホームページでは腸管出血性大腸菌感染症のページの中に病原性大腸菌の一株としてO157が紹介されています。

O157の他にもO26、O111やO128、O145も同様の食中毒を引き起こすことが知られています。一度食中毒を巻き起こす際は、その規模は尋常ではなく、日本でも年に数千人が腸管出血性大腸菌感染症を引き起こしています。

しかしながら、大腸菌は本来ヒトの腸内に常在する菌であって、毒性がないはずですがなぜ食中毒の原因菌でもあるのでしょうか。

ベロ毒素

ベロ毒素

O157をはじめとした食中毒を引き起こす病原性大腸菌はベロ毒素(またはシガ毒素)といった毒素を産生します。

ベロ毒素は具体的にはヒトや哺乳類細胞に対して悪い働きを持つ蛋白質の一種です。蛋白質とはアミノ酸が連なった物質で生物の細胞の構成を担っており、細胞内小器官のリボソームによって合成されます。

少しマニアックな話になりますが、真核細胞のリボソームは80S(Sはスベドベリと読み、沈降係数:遠心した際の落ちやすさを示す単位のようなもの)で、60Sと40Sの二つのサブユニットから構成されます。

そしてさらに60Sサブユニットは28S rRNAと5.8 sRNA、そして5S rRNAから構成されます。そんな複雑なリボソームはアミノ酸から蛋白質という物質を産生し、生物の身体をつくっているのです。繰り返しになりますが、ベロ毒素もそんな蛋白質の一つです。

次に、ベロ毒素の蛋白質のサブユニットおよび機能ドメインを見ていきましょう。

Shiga Toxin (Stx) classification, Structure, and Function
Angela R. Melton-Celsa
Microbiology spectrum
の論文の図を参考にベロ毒素の機能を解説させていただきます。

ベロ毒素の機能

出典:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4270005/

図はベロ毒素の機能的ドメインを示しています。上記のA1とA2はサブユニットを示しています。Active siteは活性化部位を意味していて、Ribosome interactionはリボソームと関わる部位を意味しています。

つまり、ベロ毒素はリボソームと関わっていくのです。勘の良い方はベロ毒素の機能がおわかりでしょうか。解説を続けさせていただきますと、ER translocationとは、小胞体から細胞質に運ぶために重要な場所であることを意味しています。

小胞体とは細胞内小器官の一つで、カルシウムイオンの貯蔵や細胞のストレス応答を司っています。ベロ毒素は小胞体から細胞質に運ばれていくようです。Furinとは蛋白質分解酵素の一種で、Furinの認識部位が存在することを示しており、ベロ毒素がFurinによって切断されることを意味します。

B5はグロボトリアオシルセラミドという受容体に結合することが知られています。上に小さな文字で記述しているs-sはシステインによるs-s(ジスルフィド)結合を意味しています。システインは硫黄原子(S)を含んだアミノ酸で、システイン同士は硫黄原子が酸化することで生じる共有結合で、非常に強固な結合であることが知られています。

システイン

出典:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4270005/

次に、ベロ毒素の蛋白質の二次構造を見ていきます。

オレンジと青がB5でサブユニットA2を示し、緑と紫がサブユニットA1側を示しています。紫がリボソームとの結合部位です。B5(オレンジ)は比較的βシートに富んだ構造をしていることからもところどころにループを挟んでいることからも膜貫通ドメインを持っていることが想像されます。

矢印になっている部分がβシート構造を示しており、渦巻きのようになっているところがαヘリックスを示しています。それ以外の細い部位がループ構造を示しています。

ベロ毒素の蛋白質の二次構造

出典:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4270005/

さて、そんなベロ毒素が一度病原性大腸菌から分泌されるとどのように効果を示すか、図で見ていきましょう。

Stxはベロ毒素を示しています。Gb3がグロボトリアオシルセラミドを示します。確か、ベロ毒素はGb3への結合サイトを持っていましたので、Gb3に対して結合することができます。

Gb3に結合したベロ毒素はエンドソームを介して脂質ラフトで細胞内に取り込まれます。このエンドソームによって取り込まれることをエンドサイトーシスといい、この場合はベロ毒素はエンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれると表現することができます。細胞内に取り込まれたベロ毒素はゴルジ体(Golgi)でエンドソームから取り出されます。

ゴルジ体にはFurinというプロテアーゼが存在します。ベロ毒素はFurinの切断部位を有しているため、ここでA1とA2は切断されるようです。しかしながら、この切断は小腸では生じません。Furinによる切断後、小胞体(endoplasmic reticulum)を介して細胞質内に放出されます。

そのような働きを担う部位がベロ毒素の蛋白質にありましたね。ちなみにですが小胞体にいる間にベロ毒素のジスルフィド結合はゆっくり還元され、細胞質内に出るときにはA1とA2のサブユニットは別れているようです。その後、A1は28S rRNAのアデニン残基を取り除くというはたらきをします(リボソームの脱プリン化)。

結果として細胞は蛋白質合成をうまく行うことができなくなり、細胞はアポトーシスを誘導されて死滅してしまいます。こうしたメカニズムを介してベロ毒素は腸管出血性大腸菌感染症を引き起こすのです。

そんな恐ろしい病原性大腸菌由来のベロ毒素ですが、そもそもO157はどのように毒素産生能力を獲得したのでしょうか。

現在のところ考えられているのは外来性因子による遺伝配列の挿入です。具体的にはバクテリオファージという非生物が大腸菌に毒素を産生するような配列を外から埋め込むことによって病原性大腸菌が発生しているということです。

つまり、基本的な細菌としての構造は普通の大腸菌となんら変わりなく、病原性大腸菌はただ毒素を作る力がある状態と言えます。

オゾンと細菌

オゾンと細菌

オゾンは細菌に対して消毒・殺菌効果があります。これはこれまでに何度もオゾンコラム内の記事でも説明させていただいてきています。大腸菌に対しての効果も同様で、酸化作用によって大腸菌の細胞壁を壊し、細胞のホメオスタシスに悪影響を与え、結果として大腸菌の繁殖を抑制することが知られています。

基本的にO157菌自体は熱に弱くしっかりと加熱すれば感染は防げるという考え方が一般的ですが、手洗いの際や調理器具の消毒・殺菌にはオゾン水が貢献できるでしょう。

まとめ

O157は大腸菌の一株で病原性大腸菌に分類されます。

ただ、ヒトの常在菌である大腸菌と毒素の分泌以外の点は同じであり、それゆえ通常のオゾン水による殺菌消毒で対応可能であるといえます。また、ベロ毒素の毒性発揮メカニズムから、一度体内に菌・毒素が取り込まれた場合にオゾンになんらかの効果を求めることは難しいため、身体に取り込まれる前の調理器具の除菌や手洗いでの除菌・殺菌にオゾンは貢献します。

ただO157対策のみ考える場合だと、O157は熱に弱い(最低75度1分間以上で死滅と言われている)ことが知られているため、特に夏場は食品をしっかりと加熱することが最大の予防であると言えます。

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