バシトラシンのsub-MICによって誘導された細胞エンベロープストレスに応答して、細胞外DNA依存性バイオフィルム内に耐性遺伝子を拡散させる潜在的なリスク

Potential risk to spread resistant genes within the extracellular DNA-dependent biofilm of in response to cell envelope stress induced by sub-MIC of bacitracin.

• Ryo Nagasawa
• Tsutomu Sato
• Nobuhiko Nomura
• Tomoyo Nakamura
• Hidenobu Senpuku

抄録

抗生物質は、ある種の細菌感染症の治療や予防のために使用されます。そのため、不必要に耐性菌が増加し、その制御は困難である。薬剤耐性菌の出現は深刻な問題であるが、薬剤耐性菌の挙動は十分に解明されていない。本研究では、細胞壁標的型抗生物質であるバシトラシンに耐性を持つう蝕の主要な病因菌であるUA159の挙動を調べ、バシトラシン存在下でのバイオフィルム形成に着目した。 UA159は、1/8の最小阻害濃度(MIC)でバシトラシンの存在下で最も強く細胞外DNA(eDNA)依存性のバイオフィルム形成を誘導した。また、バシトラシン耐性を欠くΔおよびΔ変異株も、1/2×MICでのバシトラシンの存在下でバイオフィルムを形成した。このWTと変異株の違いは、中間ログ相での発現誘導によるものであった。また、細胞壁合成に関連するラムノースグルコース多糖体の合成に関与する遺伝子がバシトラシンによってダウンレギュレートされることも明らかにした。また、グルコシルトランスフェラーゼ-IはeDNA依存性バイオフィルム形成にも関与していた。バイオフィルムは形質転換効率の向上につながり、遺伝子の水平移動を促進した。また、細胞壁合成を標的とした抗生物質であるアンピシリンやバンコマイシンによってもバイオフィルムが誘導され、細胞エンベロープストレスがバイオフィルム形成の引き金となっていることが示唆された。したがって、抗生物質のサブMICによって誘導された細胞エンベロープストレスに応答して水平方向の遺伝子導入を促進し、eDNA依存性のバイオフィルムを形成する , および遺伝子の発現が制御されていることが示唆された。抗生物質は、多くの細菌において、バイオフィルム形成を阻害濃度以下で誘導することが報告されている。したがって、薬剤感受性菌に対するMICが耐性菌のバイオフィルム形成を促進する可能性が考えられる。薬剤耐性菌が蔓延していることから、耐性菌の挙動を理解することが重要である。 はバシトラシン耐性であり、細胞壁標的抗生物質であるバシトラシンの1/8×MICは、eDNA依存性のバイオフィルム形成を誘導した。また、バシトラシン耐性ではないΔ株およびΔ株も、1/2 x MICのバシトラシンの存在下でバイオフィルムを形成し、野生株および変異株のバイオフィルムはいずれも水平方向の遺伝子移入を促進した。別の細胞壁標的抗生物質であるバンコマイシンは、バシトラシンと同様の効果をバイオフィルムと遺伝子導入に示した。このように、細胞壁標的抗生物質による治療は、バイオフィルムにおける薬剤耐性遺伝子の伝播を促進する可能性がある。したがって、抗生物質を使用する際には、サブMICsにおける抗生物質の存在下での耐性菌の挙動を調査する必要がある。

Antibiotics are used to treat or prevent some types of bacterial infection. The unnecessarily and increases resistant bacteria, and controlling these bacteria is difficult. While the emergence of drug-resistant bacteria is a serious problem, the behavior of drug-resistant bacteria is not fully understood. In this study, we investigated the behavior of , a major etiological agent of dental caries that is resistant to bacitracin, which is a cell wall-targeting antibiotic, and focused on biofilm formation in the presence of bacitracin. UA159 most strongly induced extracellular DNA (eDNA)-dependent biofilm formation in the presence of bacitracin at 1/8 minimum inhibitory concentration (MIC). The Δ and Δ mutant strains, which lack bacitracin resistance, also formed biofilms in the presence of bacitracin at 1/2 x MIC. This difference between the WT and the mutants was caused by the induction of expression in the mid-log phase. We also revealed that genes involved in the synthesis of rhamnose-glucose polysaccharide related to cell wall synthesis were downregulated by bacitracin. In addition, glucosyltransferase-I was also involved in eDNA-dependent biofilm formation. The biofilm led to increased transformation efficiencies and promoted horizontal gene transfer. Biofilms were also induced by ampicillin and vancomycin, antibiotics targeting cell wall synthesis, suggesting that cell envelope stress triggers biofilm formation. Therefore, the expression of the and genes is regulated by , which forms eDNA-dependent biofilms, promoting horizontal gene transfer in response to cell envelope stress induced by sub-MICs of antibiotics. Antibiotics have been reported to induce biofilm formation in many bacteria at sub-inhibitory concentrations. Accordingly, it is conceivable that the MIC against drug-sensitive bacteria may promote biofilm formation of resistant bacteria. Since drug-resistant bacteria have spread, it is important to understand the behavior of resistant bacteria. is bacitracin-resistant, and the 1/8 x MIC of bacitracin, which is a cell wall-targeted antibiotic, induced eDNA-dependent biofilm formation. The Δ and Δ strains, which are not resistant to bacitracin, also formed biofilms in the presence of bacitracin at 1/2 x MIC, and both biofilms of wild and mutants promoted horizontal gene transfer. Another cell wall-targeted antibiotic, vancomycin, showed similar effects on biofilms and gene transfer as bacitracin. Thus, treatment with cell wall-targeted antibiotics may promote the spread of drug-resistant genes in biofilms. Therefore, the behavior of resistant bacteria in the presence of antibiotics at sub-MICs should be investigated when using antibiotics.

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