サルモネラは生存を有利にするため腸の栄養環境を操作していた

短鎖脂肪酸による防御機構と病原菌の戦い

サルモネラ属の細菌は、町田予防衛生研究所によると2019年〜2023年の過去5年間の食中毒原因第5位にランクインするほど身近に潜んでおり、その名前を一度は耳にしたことがあるでしょう。

食中毒は、サルモネラといった原因となる病原体が食べ物などから摂取され、人間の体を守る仕組みに打ち勝って増殖したり毒素を出したりすることで発症します。

（なお、本記事では便宜上、バウムラー氏らの研究対象であるSalmonella enterica serovar Typhimuriumを「サルモネラ」と表記します。）

では、人間はどのように体を守っているのでしょう？

防御の仕組みは胃腸の粘膜や免疫反応など様々ありますが、ここでは我々の腸に住んでいる腸内細菌と短鎖脂肪酸（以下、SCFA）に注目します。

腸内細菌は、体に良い働きをする「善玉菌」、悪い働きをする「悪玉菌」、状況次第でどちらの働きもする「日和見菌」の3つに分けられ、その割合は健康な日本人ではおよそ2:1:7とされています。

ちなみに、健康食品でお馴染みの乳酸菌やビフィズス菌はどちらも善玉菌の一種です。

健康な状態では、主に善玉菌が食物繊維やオリゴ糖などの吸収されなかった炭水化物を大腸で発酵させて、酢酸、プロピオン酸、酪酸といったSCFAを作ります。

これらのSCFAは弱酸のため、大腸内のpH（酸性＝pH7未満、中性＝pH7、アルカリ性＝pH7超）を低下させて酸性環境を保ち、病原菌が生存しにくいようにしています。

また、SCFAは、酸が水に溶けた時の水素イオン（H+）の放出しやすさを示す酸解離定数（pKa）が約4.7のため、pHが4.7より高くなる（中性に近くなる）ほど水素イオン（H+）を放出しやすくなります。

大腸内は弱酸性環境（pH5.7〜6.2）のため、多くのSCFAが水素イオン（H+）を持った状態（プロトン化）で存在し、簡単に細胞膜を通り抜けられるので細胞外から細胞内に入りやすくなっています。

プロトン化した状態でSCFAがサルモネラなど病原体の細胞内に入ると、細胞質が中性（pH7.2〜7.8）のため、SCFAは水素イオン（H+）を放出し、細胞質内は水素イオン（H+）が増えてpHが低くなり、酸性化します。

すると、酸性化によって細胞の構造や遺伝子にダメージが加わったり、酵素が上手く働かず細胞のエネルギーであるATPの合成に支障をきたすなどして、病原体が増殖できなくなります。

このように、腸内細菌が作ったSCFAに由来する酸の力は病原体への感染を防ぐうえで重要な役割を果たしています。

逆に、病原体はどのような武器を持っているのでしょうか？

サルモネラは、T3SS-1（Type III Secretion System-1）とT3SS-2（Type III Secretion System-2）という2種類の分泌システムを使って、それぞれ細胞侵入と細胞内での生存を図ります。

これらの分泌システムは針のような構造（分泌装置）を持っており、その針を侵入先（宿主細胞）に突き刺して、侵入や免疫回避、細胞内での生存を助ける成分を注入します。

そして腸内の炎症を引き起こし、その結果として増加した酸素や硝酸塩、テトラチオネートなどを使って呼吸やエネルギー生成を行います。

その他にも様々な感染メカニズムを駆使して腸内でサルモネラが増殖し、最終的に食中毒をもたらします。

しかし、高濃度のSCFAと大腸の酸性環境が、病原体の酸素呼吸および硝酸塩呼吸による増殖を抑制し、その生存能力を打ち消すという研究結果もあります。

では一体どうやってサルモネラはSCFAによる防御機構を回避しているのでしょうか？