このガンジス川の水を飲むと、超耐性菌が治るのでしょうか？

他のもっとマクロな種と比べると、ウイルスについて書くことは最初から負け戦のように思えます。

生物進化の長い歴史に比べると、人類の文明や自然史研究の歴史は短すぎます。バクテリオファージは特殊なタイプのウイルスであるため、肉眼や光学顕微鏡では見えません。電子顕微鏡が登場して初めて、人類は生物の全体像を垣間見ることができました。

腸内細菌科ファージT4の透過型電子顕微鏡写真。画像: expasy.org

その精巧な形態構造や巧妙な繁殖機構を賞賛する文学作品や芸術作品は見当たらず、またそれに関する逸話を残している歴史上の人物もいない。今日に至るまで、それがいつどこで始まったのかはわかっていません。彼らは、分子生物学や医学の研究において、人類の忠実なパートナーとして、世界のあらゆる場所でただ静かに存在しているだけなのです。
数え切れないほどの謎の「生き物」

1896年、インドでコレラを研究していた英国の細菌学者アーネスト・ハンバリー・ハンキンは、ガンジス川の未沸騰水の中にコレラ菌の増殖を抑制し、コレラ流行の拡大を抑える物質が含まれていることを偶然発見しました。その後の研究で、この物質は非常に小さいため、セラミック製のバクテリアフィルター（バクテリアが通過できない細孔がある）を通過できることが判明しました。
インド、ウッタル・プラデーシュ州バラナシのガンジス川のほとり。画像: ウィキメディア

20年以上経って、イギリスの細菌学者フレデリック・トゥートとフランスの微生物学者フェリックス・デレルは、細菌を殺すことができる小さな物質を独立して発見しました。トゥート氏は、この物質は特定の細菌の増殖サイクル、細菌自体が分泌する酵素、あるいは細菌に感染する可能性のあるウイルスから来ているのではないかと推測した。残念なことに、第一次世界大戦の勃発により彼の研究は中断されました。一方、デレルは、赤痢菌の培養物を食べた生物は細菌に寄生するウイルスであると確信していた。彼はギリシャ語の φαγεῖν (phagein、貪食を意味する) に基づいて、このタイプのウイルスをバクテリオファージと名付けました。

トゥールト（左）とデレル（右）。画像: ウィキメディア

現在では、バクテリオファージは細菌や古細菌に感染するウイルスの一種であることがわかっています。タンパク質と核酸で構成されており、形態構造と核酸の種類に基づいて 19 のファミリーに分類できます。他の種類の生物とは異なり、ウイルスは二名法で命名されません。植物や動物のウイルスの命名は、一般的に「宿主 + 病気 + ウイルス」の形式（タバコモザイクウイルス（TMV）や犬パルボウイルス（CPV）など）に従いますが、バクテリオファージの命名は、一般的に「宿主細菌名 + ファージ + 番号」の形式（腸内細菌ファージT4など）に従います。

タバコモザイクウイルスは人類が特定した最初のウイルスでした。画像: ウィキメディア

1940 年代、アメリカの遺伝学者ミリスラフ・デメレクは下水道の下水サンプルから一連のバクテリオファージを分離し、宿主とプラークの大きさに応じてバクテリオファージ T1 から T7 と命名しました。そのうち、腸内細菌科ファージT4はミオウイルス科に属します。名前が示すように、T4 は腸内細菌科の大腸菌に感染する可能性があります。 *プラーク – 細菌の死滅により培地上に形成される空の斑点。

バクテリオファージを接種した後に細菌培養物に現れるプラーク。画像: Ninjatacoshell/wikimedia

仏教用語には「ガンジス川の砂の数」という言葉があり、数えきれないほどの物の数を指します。これは、ガンジス川で最初に発見されたバクテリオファージを説明するために使用される場合があります。現在、バクテリオファージは地球上で最も数が多い種です*。地球上の細菌が存在するほぼすべての場所に存在し、海水中の細菌の 70% にバクテリオファージが含まれています。 ※バクテリオファージの本質はウイルスです。ウイルスは非常に特殊であり、厳密な意味での「生物」ではありません。一般的な生命体と同様に、遺伝物質（DNAまたはRNA）を持ち、増殖し、自然淘汰を通じて進化することができますが、同時に細胞構造を欠いており、これが「生物」から除外される重要な理由です。現在、ウイルスは「生命の瀬戸際にある生物」と表現されています。

生物かナノロボットか？

電子顕微鏡で見ると、T4 はオタマジャクシのような形をしており、幅約 90 ナノメートル、長さ約 200 ナノメートルで、楕円形の頭部と円筒形の尾部で構成されています。形態構造や増殖方法のさらなる分析により、T4 は強い SF 的感覚を持つようになりました。
T4 の頭部はカプシドとも呼ばれ、152 個のタンパク質カプシド粒子で構成された細長い 20 面体で、289 個のタンパク質をコードできる二本鎖の線状 DNA をカプセル化しています。頭と尾はネックリングでつながっています。尾は中空の管状構造で、尾管と外側の尾鞘、底部のベースプレート、ベースプレートに接続された 6 つのスパイク、および 6 つの尾フィラメントで構成されています。 T4バクテリオファージの形態構造と感染パターンの図。画像: Guido4 / wikimedia;中国語訳: 種カレンダー

T4 が大腸菌に感染するプロセスは、小型注射器に似ています。尾繊維上のタンパク質が宿主細胞上のリポ多糖受容体を認識して結合すると、尾鞘が収縮し、尾管が細菌細胞壁の外層を突き刺し、リゾチームの作用で細胞壁の内層を分解します。すると、頭部の DNA が、妨げられることなく尾管を通じて細菌の内部に注入されることになります。次に、DNA は RNA に転写され、タンパク質に翻訳され、組み立てのための自己複製に必要な要素を大量生産し始めます。まず空のカプシドが DNA に包まれ、組み立てられた尾部と結合し、最後に尾部繊維に接続されます。このようにして、もともと健全な大腸菌細胞が乗っ取られ、T4「組み立て工場」に変換されます。リゾチームとリパーゼの作用により、組み立て工場の壁は最終的に崩壊し、放出されたバクテリオファージは次の犠牲者を探し続けます。ファージがいつ、どこで進化したかはまだ確認できていません。その洗練された構造と効率的な感染・増殖プロセスは、地球上の生物とは全く似ておらず、むしろ異星文明が残した「ナノロボット」のように見えるとして、多くの人々をため息まじりにさせている。そのため、T4 は多くの芸術作品や SF 作品にも頻繁に登場するようになりました。アニメ『リック・アンド・モーティ』のシーズン１では大腸菌の流行に関するストーリーがあるが、映画に出てくる「大腸菌」は実際には変形したバクテリオファージである。 「リック・アンド・モーティ」。

T4は構造がシンプルで、実験室での培養も容易であり、人体にも無害です。そのため、分子生物学やウイルス学の実験ではモデル種としてよく使われます。多くのノーベル生理学賞受賞者や医学賞受賞者が T4 を研究モデルとして使用しています。たとえば、1969年の受賞者であるマックス・デルブリュック、サルバドール・ルリア、アルフレッド・ハーシーは、ウイルスの複製メカニズムと遺伝子構造の発見により賞を受賞しました。 1969 年のノーベル生理学・医学賞受賞者 3 名。画像: nobelprize.org

ファージ療法

科学ニュースをフォローしている方なら、抗生物質が多くの薬剤耐性「スーパーバグ」に対してはもはや効果がないということをご存知でしょう。現在、研究者たちはバクテリオファージを感染症を制御するための「新しい」治療法として利用しようと試み始めており、多くのファージ製品が臨床試験段階に入っています。
実際のところ、ファージ療法は何も新しいものではありません。 1919年、ファージの発見者であるフェリックス・デレルは、鶏の糞便から分離したファージを使ってサルモネラ菌を殺し、鶏の腸チフスを治しました。同年8月、赤痢から回復した患者の糞便から分離したファージを用いて、赤痢に罹っていた2人の子供の治療に成功した。
電子顕微鏡で見ると、バクテリオファージの集団が細菌に感染しており、その相対的な大きさがはっきりと見えます。写真: グラハム・ビアーズ/ウィキメディア

1940年代にはペニシリンを筆頭とした抗生物質が大量生産・商品化され始め、ファージ療法は次第に忘れ去られていった。ソビエト連邦を中心とする少数の国だけが、依然としてファージ療法の研究と応用を主張している。第二次世界大戦中、バクテリオファージはソ連兵の赤痢、腸チフス、壊疽の治療に使用されました。抗生物質が不足していたため、新設された中華人民共和国はソ連の支援を受けてバクテリオファージ製剤を開発し、赤痢や緑膿菌感染症の治療に成功した。実際の出来事を基にした映画「世界の春」は、火傷患者の感染症を治療するためにバクテリオファージを使用する物語を描いています。その後、抗生物質の乱用により、ほぼすべての抗生物質に耐えられる「スーパー細菌」が出現しました。利用できる薬がないというジレンマに直面して、ファージ療法が再び人々の注目を集めている。抗生物質と比較したファージ療法の利点は、その高い特異性です。適切なファージ株が見つかれば、標的の病原菌だけを攻撃することができますが、抗生物質は同じ環境にある有益な細菌と有害な細菌の両方を殺す可能性があります。たとえば、T4 は大腸菌のみを殺しますが、研究では T4 と T5 を併用して、羊の腸内での出血性大腸菌 O157:H7 株による感染を制御しました。腸管出血性大腸菌O157:H7の培養。大腸菌のほとんどは非病原性であり、O157:H7 などの少数の菌株のみが腸の感染症を引き起こす可能性があります。画像: foodsafetycertification.ca

しかし、ファージ療法には欠点がないわけではない。ホストスペクトルが狭いことは、利点であると同時に弱点でもあります。ファージ株は特定の細菌の特定の株のみを殺すことができる場合が多いため、標的の病原体と戦うことができる対応するファージを見つけることも大きな課題です。複雑な感染状況に直面した研究者は、宿主の範囲を広げるために複数のファージを混合する「カクテル調製」アプローチを採用することが多い。また、バクテリオファージは外部から人体に導入される物質であるため、人によっては免疫反応を刺激し、アレルギー反応などの副作用を引き起こす可能性もあります。もう一つの注意点：ファージ療法は有望であり、超耐性菌の治療に使用できるが、ガンジス川の深刻な汚染を考慮すると、水を排出しないのが最善である。