抗生物質の検出・同定、抗生物質のメカニズム予測のためのルクスベースの黄色ブドウ球菌生物発光スクリーニングアッセイ

A lux-based Staphylococcus aureus bioluminescence screening assay for the detection/identification of antibiotics and prediction of antibiotic mechanisms.

• Zhongjun Yang
• Qingyu Cui
• Mengge Zhang
• Zhiqiang Li
• Mingyu Wang
• Hai Xu

抄録

新しい抗生物質の発見と抗生物質耐性問題の解決のためには、抗生物質の迅速な検出、既知の抗生物質の同定、抗生物質のメカニズムの予測が必要である。細菌のルクス遺伝子は、化学エネルギーを光エネルギーに変換し、生物発光に導くタンパク質をコードしている。この現象を利用して、ストレス誘導性シャペロンプロモーターの制御下でルクス遺伝子を発現させることで、黄色ブドウ球菌のルクス発光システムを構築した。これらのレポーター株は、抗生物質ストレスを経験した際に、明確な発光反応を示した。このことから、このバイオルミネッセンススクリーニングシステムは、未知の化学物質の混合物中の抗生物質の検出に利用することができると考えられる。さらに、生物発光応答パターンを解析した結果、以下のことが明らかになった。(1)これらの生物発光応答パターンは抗生物質特異性が高いため、迅速かつ安価に抗生物質の同定が可能であること、(2)同じ作用機序を持つ抗生物質は類似の生物発光パターンを有しているため、これらのパターンを用いて未知の抗生物質のメカニズムを良好な感度と特異性で予測することが可能であること、などが明らかになりました。この生物発光スクリーニングアッセイを用いることで、新規抗生物質の発見・解析が促進され、抗生物質耐性問題の解決に貢献することが期待されます。

The need for the discovery of new antibiotics and solving the antibiotic resistance problem requires rapid detection of antibiotics, identification of known antibiotics, and prediction of antibiotic mechanisms. The bacterial lux genes encode proteins that convert chemical energy into photonic energy and lead to bioluminescence. Exploiting this phenomenon, we constructed a lux-based bioluminescence system in Staphylococcus aureus by expressing lux genes under the control of stress-inducible chaperon promoters. When experiencing antibiotic stress, these constructed reporter strains showed clear bioluminescence response. Therefore, this bioluminescence screening system can be used for the detection of antibiotics in unknown chemical mixtures. Further analysis of bioluminescence response patterns showed that: (1) these bioluminescence response patterns are highly antibiotic specific and therefore can be used for rapid and cheap identification of antibiotics; and that (2) antibiotics having the same mechanism of action have similar bioluminescence patterns and therefore these patterns can be used for the prediction of mechanism for an unknown antibiotic with good sensitivity and specificity. With this bioluminescence screening assay, the discovery and analysis of new antibiotics can be promoted, which benefits in solving the antibiotic resistance problem.