Microbiology（微生物学）

引用

Parker, N., Schneegurt, M., Tu, A.-H. T., Lister, P., & Forster, B. M. (2016). Microbiology. OpenStax. Free official edition: https://openstax.org/details/books/microbiology

章の要約

序文が説明するとおり、26の章は4つのまとまりに分かれる。基礎と微生物の世界（第1〜6章）、生化学・代謝・増殖・遺伝学（第7〜12章）、微生物の制御・病原性・疫学・免疫学（第13〜20章）、そして器官系別の感染症の概観（第21〜26章）である。各章では、複数回に分かれた「Clinical Focus（臨床の焦点）」の患者の事例が節を追って進んでいく。

第1章：見えない世界

冒頭の章は、微生物と、生態系・食品・病気におけるその役割を紹介し、伝染についての初期の考え方、レーウェンフックの観察、パスツールとコッホの黄金時代を振り返る。続いて、分類学、二名法、系統樹を、リンネやヘッケルからホイッタカーの五界説、ウーズの3ドメイン説まで説明し、微生物の種類を概観する。

第2章：見えない世界をどう見るか

光の物理学（反射、屈折、回折、倍率、分解能）から始まり、この章は顕微鏡の歴史をたどり、明視野・暗視野・位相差・蛍光・共焦点・電子・走査型プローブ顕微鏡を説明し、グラム染色、抗酸性染色、芽胞染色、莢膜染色を含む標本の作製と染色を解説する。

第3章：細胞

この章は、自然発生説を否定した実験（レディ、ニーダム、スパランツァーニ、パスツール）、細胞説、細胞内共生説、病原菌説の成立をたどり、続いて原核細胞の構造（核様体、細胞壁、膜、鞭毛、芽胞）を真核細胞とその細胞小器官の構造と比較する。

第4章：原核生物の多様性

まず原核生物の生息場所、共生関係、ヒトのマイクロバイオームを扱い、続いて細菌のグループを巡る。プロテオバクテリアの5つの綱、プロテオバクテリア以外のグラム陰性菌と光合成細菌、グラム陽性菌、深く分岐した細菌、そして古細菌であり、医学的に重要な属に注意が払われる。

第5章：微生物学における真核生物

真核微生物と寄生生物が順に扱われる。原生生物（マラリアの原因となるプラスモディウムを含む）、寄生性蠕虫（線虫と扁形動物）、真菌と医学的に重要なそのグループ、藻類、地衣類であり、顧みられない寄生虫やギニア虫の撲滅に関するコラムがある。

第6章：非細胞性病原体

ウイルスは構造、分類、宿主域によって記述され、ウイルスの生活環では、ファージの溶菌サイクルと溶原サイクル、動物ウイルスの複製、潜伏、増殖曲線が扱われる。章は続いてウイルスの分離・培養・同定の方法を説明し、ウイロイド、ウイルソイド、プリオンを紹介する。米国でのエボラの事例研究や、ヘンリエッタ・ラックスの細胞株に関する「Eye on Ethics」のコラムがある。

第7章：微生物の生化学

有機化学のこの復習は、元素、官能基、異性体から始まり、炭水化物、脂質、タンパク質とその構造を扱い、生化学的な特徴（脂肪酸プロファイルやタンパク質分析など）が微生物の同定にどう用いられるかで終わる。

第8章：微生物の代謝

代謝は、エネルギー、酸化還元の担体、ATP、酵素を通じて導入され、炭水化物の異化（解糖系とその代替経路）、細胞呼吸、発酵、脂質とタンパク質の異化、光合成、そして炭素・窒素・硫黄・リンの生物地球化学的循環へと進む。細菌の同定に使われる代謝試験パネルが臨床との結びつきを示す。

第9章：微生物の増殖

この章は、二分裂、世代時間と増殖曲線、細胞数の計測法、バイオフィルムとクオラムセンシング、酸素・pH・温度その他の条件が増殖に及ぼす影響を扱い、続いて臨床と研究の検査室で使われる培地（合成培地、複合培地、選択培地、鑑別培地、増菌培地）を説明する。

第10章：ゲノムの生化学

DNAが遺伝物質であることを確立した歴史的な実験（メンデル、ミーシャー、グリフィス、エイブリーら、ハーシーとチェイス）から、DNAとRNAの構造と機能、そしてプラスミドを含む原核生物・真核生物・ウイルスのゲノムの構成へと進む。

第11章：微生物遺伝学のしくみ

この章は、セントラルドグマ、細菌と真核生物のDNA複製、転写、翻訳と遺伝暗号、突然変異と修復、形質転換・形質導入・接合による遺伝子の水平伝播、そしてlacやtrpのようなオペロンによる遺伝子調節を説明する。

第12章：微生物遺伝学の現代的応用

遺伝子工学の道具（制限酵素、クローニングベクター、ライブラリー、トランスフェクション）から、核酸とタンパク質を可視化・解析する技術（プローブ、ゲル電気泳動、PCR、シークエンシング、ブロッティング）、全ゲノム解析法と医薬品への応用、そして失敗に終わった遺伝子治療の事例を含む遺伝子治療へと進む。

第13章：微生物増殖の制御

清浄度の水準、バイオセーフティレベル、用語（滅菌、消毒、消毒・防腐、殺菌性と静菌性）が、物理的方法（加熱、冷蔵、加圧、放射線、ろ過）と化学的方法（フェノール類、ハロゲン、アルコール、界面活性剤、重金属、過酸化物など）による制御の枠組みとなり、続いて消毒薬の効果の試験が扱われる。トリクロサンや手洗いに関するコラムがある。

第14章：抗微生物薬

エールリヒの「魔法の弾丸」とフレミングのペニシリンから、章は抗菌スペクトル、用量、選択毒性、抗菌薬・抗真菌薬・抗原虫薬・駆虫薬・抗ウイルス薬の作用機序、薬剤耐性の機序と拡散、感受性試験（カービー・バウアー法、希釈法、アンチバイオグラム）、新薬発見のための現在の戦略へと進む。

第15章：微生物の病原性のしくみ

徴候と症状、病気の種類、病期が定義され、続いてコッホの原則（古典的なものと分子的なもの）、ID50やLD50といった病原性の尺度、病原性発揮の段階、そして細菌・ウイルス・真菌・原虫・蠕虫の病原因子が説明される。

第16章：疾病と疫学

疫学の用語（罹患、死亡、発生率、有病率、風土病的、流行、パンデミック）と、スノーやナイチンゲールといった先駆者による疾病の追跡から、記述疫学・分析疫学・実験疫学、伝播の様式、医療関連感染、そして新興感染症を含む世界の公衆衛生へと進む。

第17章：自然免疫による非特異的生体防御

防御の第一線が、物理的障壁、化学的防御（抗菌ペプチド、補体、サイトカインその他の血漿タンパク質）、自然免疫の細胞、病原体の認識と食作用、炎症と発熱を通じて説明される。

第18章：獲得免疫による特異的生体防御

獲得免疫の特異性と記憶が、抗原と抗体、MHC分子と抗原提示細胞、T細胞と細胞性免疫、B細胞と液性免疫、ワクチンの種類と歴史を通じて説明される。予防接種は義務か選択かを問う「Eye on Ethics」のコラムがある。

第19章：免疫系の疾患

この章は、4つの型の過敏症、自己免疫疾患、移植と拒絶反応、原発性と続発性の免疫不全、がんの免疫生物学と免疫療法を扱う。

第20章：免疫応答の検査室での解析

診断免疫学が、ポリクローナル抗体とモノクローナル抗体の作製、沈降反応と凝集反応、酵素免疫測定法とELISA、そしてフローサイトメトリーを含む蛍光抗体法を通じて示される。

第21〜26章：皮膚と眼の感染症／呼吸器系の感染症／泌尿生殖器系の感染症／消化器系の感染症／循環器系とリンパ系の感染症／神経系の感染症

最後の6章は感染症を器官系別に概観する。各章は、その器官系の解剖と常在微生物叢（あるいはその不在）から始まり、細菌・ウイルス・真菌・寄生虫による感染症を順に扱う。たとえば、ブドウ球菌とレンサ球菌による皮膚感染症とトラコーマ、レンサ球菌咽頭炎、結核、インフルエンザ、麻疹、尿路感染症と性感染症、口腔の病気、食中毒、肝炎、敗血症、ペスト、マラリア、HIV、そして髄膜炎、ボツリヌス症、破傷風、狂犬病、ポリオ、プリオン病である。各章の「Disease Profile」の表が、原因微生物、徴候と症状、伝播、診断、治療をまとめている。

主要概念

第1〜3章：見えない世界／見えない世界をどう見るか／細胞

• 3ドメイン説：リボソームRNAに基づいて生物を細菌、古細菌、真核生物に分けるウーズの分類。
• 分解能とコントラスト：近接した2点を区別する能力で、短い波長、大きな開口数、染色によって向上する。
• グラム染色：細胞壁の構造によってグラム陽性菌とグラム陰性菌を区別する分別染色。
• 細胞内共生説：ミトコンドリアと葉緑体が取り込まれた細菌に由来するという説。

第4〜6章：原核生物の多様性／微生物学における真核生物／非細胞性病原体

• マイクロバイオームと微生物叢：体の表面や内部に生息する微生物で、部位や個人によって異なる。
• 蠕虫：診断が顕微鏡的な虫卵や幼虫に依拠するため微生物学で扱われる寄生性の虫。
• 溶菌サイクルと溶原サイクル：宿主を破壊するファージの複製と、宿主ゲノムへの組み込み。
• プリオン：神経変性疾患を引き起こす、誤って折りたたまれた感染性のタンパク質。

第7〜9章：微生物の生化学／微生物の代謝／微生物の増殖

• 異化と同化：エネルギーを放出するための分子の分解と、細胞成分の合成。
• 呼吸と発酵：電子伝達系によるATP産生と、NAD+を再生する基質レベルの経路。
• 増殖曲線：閉鎖系における集団の誘導期、対数増殖期、定常期、死滅期。
• バイオフィルムとクオラムセンシング：基質に埋め込まれ、化学的なシグナルで行動を協調させる微生物の共同体。

第10〜12章：ゲノムの生化学／微生物遺伝学のしくみ／微生物遺伝学の現代的応用

• 遺伝子の水平伝播：抗生物質耐性などの遺伝子を広げる形質転換、形質導入、接合。
• オペロン：誘導性のlacオペロンのように、共通の制御を受ける遺伝子のまとまり。
• 組換えDNAとPCR：診断とバイオテクノロジーで用いられる、DNAを切断し、つなぎ、増幅する方法。

第13〜14章：微生物増殖の制御／抗微生物薬

• 滅菌と消毒・消毒防腐：すべての微生物を除去することと、物や生体組織上の病原体を減らすこと。
• 選択毒性：細菌の細胞壁などを標的とし、宿主よりも微生物に害を与える薬の性質。
• 薬剤耐性：微生物が薬剤を生き延びる仕組みで、不必要な使用によって悪化する。

第15〜16章：微生物の病原性のしくみ／疾病と疫学

• コッホの原則：病原体と病気を結びつけるための基準で、病原遺伝子のための分子版もある。
• 病原因子：病気を可能にする付着因子、毒素、酵素、免疫回避の戦略。
• 発生率と有病率：一定期間の新規症例と、集団中の全症例。

第17〜20章：生体防御、免疫疾患、免疫学的検査

• 自然免疫と獲得免疫：迅速な非特異的防御と、記憶を伴う特異的な応答。
• 液性免疫と細胞性免疫：B細胞による抗体応答と、細胞内病原体に対するT細胞の応答。
• 過敏症I〜IV型：アレルギー性、細胞傷害性、免疫複合体性、細胞性の有害な免疫反応。
• ELISA：臨床検体中の抗原や抗体を検出するために用いられる酵素結合免疫測定法。

第21〜26章：器官系別の感染症

• 防御としての常在微生物叢：病原体と競合する常在微生物で、血液や中枢神経系のような無菌部位には存在しない。
• 侵入門戸と伝播：病原体が各器官系に到達する経路で、予防の中心となる。
• 人獣共通感染症と媒介生物：動物から感染したり節足動物によって運ばれたりする病気で、循環器系の感染症に多い。

批判的分析

長所

• 医療系の学生向けに作られている。 序文は、本書が非専攻・医療系学生向けの1学期の微生物学コースのためのものだと述べており、基礎生物学から免疫学を経て器官系別の病気へと進む順序はその目的に合っている。本書は米国微生物学会（ASM）出版部と共同で開発され、序文はすべての章をASMのカリキュラム指針に対応づけている。
• 全体を貫く臨床の物語。 各章の複数回にわたる「Clinical Focus」の事例は内容と並行して進み、「Resolution（解決）」で終わる。「Case in Point」のコラム、第21〜26章の「Disease Profile」の表、「Micro Connections」のコラムが、概念を診断や治療と結びつける。
• 倫理と歴史が組み込まれている。 シグマ・クサイによる「Eye on Ethics」のエッセイ（ヘンリエッタ・ラックス、予防接種、腸チフスのメアリー、天然痘ウイルスの保管など）と、自然発生説、病原菌説、DNAの発見に関する歴史的な節が、多くの微生物学の教科書が省く文脈を与える。
• 充実した学習の仕組み。 学習目標、小節ごとの「Check Your Understanding」の問い（全体で400問以上）、箇条書きの節要約、客観問題の解答集付きの多様な復習問題、そして基礎化学、数学、代謝経路、臨床的に重要な微生物の分類に関する付録が独習を支える。

短所

• 一部の内容が古い。 2016年の初版であり、事例は2014年のエボラ流行やジカ熱などが中心である。COVID-19には一度触れるだけで、CRISPRに基づく方法のような新しい道具は扱われない。
• 環境より臨床の重視。 環境・産業・食品微生物学は主にコラムと初めの章に現れるだけで、生物学専攻のコースの学生には、微生物生態学や生理学が専攻向けの教科書より薄く感じられるかもしれない。
• 長く密度が高い。 1,200ページを超え、第21〜26章には病気ごとの細部が多いため、1学期で深く扱える量を超えており、病気の章は暗記用のリストになりがちである。
• 米国中心の公衆衛生の文脈。 疫学データ、機関（CDC、MMWR）、医療の事例は主に米国のものである。

本書で扱う応用

応用は独立した章ではなく本書全体を通じて扱われる。第9章は診断検査室で使われる培地と細胞数計測法を、第12章はPCR、シークエンシング、核酸増幅検査（たとえばC. difficile感染症の診断）、遺伝子工学による医薬品生産を、第13章は医療と食品産業における滅菌、照射食品、手洗いを、第14章は感受性試験とアンチバイオグラムを、第20章は臨床診断で使われる免疫測定法を扱い、第21〜26章は各感染症の診断と治療をまとめている。

コースにおける位置づけ

微生物学のコースにおいて、本書は入門用の無料の基礎教科書である。マディガンらの『Brock Biology of Microorganisms』は、一般に、微生物の生理学、生態学、多様性をより深く扱う生物学専攻向けの包括的な教科書とされる。そうした深さが必要な学生は、本書の対応する章（第4・8・9・11章）の後で、あるいはそれと並行して、ブロックに進むことができる。挙げられている専門書、ヘンキンとピーターズの『Snyder and Champness Molecular Genetics of Bacteria』と、ホワイト、ドラモンド、フクアの『The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes』は、それぞれ細菌遺伝学と原核生物の生理学・生化学を専門とする。OpenStaxの『Microbiology』の第7〜11章は、それらの本が前提とする背景を与える。

OpenStaxの『Microbiology』は、医学的な重点が利点となる看護・医療系の学生にとって最初の教科書として適切である。理系専攻の学生は読みやすい概説として使えるが、環境微生物学についてはブロックで、遺伝学と生理学については専門書で補う必要がある。

本書の使い方

本書は、入門の、しばしば非専攻の微生物学の学生向けに書かれている。入門生物学の知識があると役立ち、代謝に必要な化学は第7章と付録Aで、基礎的な数学は付録Bで復習できる。

医療系のコースでは、基礎として第1〜3章を読み、微生物のグループについては第4〜6章から選び、第7〜9章と第10〜11章は授業が求める深さで扱い、最も多くの時間を第13〜20章（制御、薬剤、病原性、疫学、免疫）に充て、第21〜26章は器官系別の参考資料として使うとよい。各章の「Clinical Focus」の事例は展開に合わせて読み、「Resolution」の前に患者の診断を試みるとよい。読みながら「Check Your Understanding」の問いに答え、箇条書きの要約を復習に使い、客観問題の答えを解答集で確認するとよい。「Disease Profile」の表は試験前に病気を比較するのに便利である。

版と出典

本ガイドは『Microbiology』（OpenStax、初版刊行2016年）に基づいており、https://openstax.org/details/books/microbiology からダウンロードした公式の無料PDF（現行の印刷版、カラーペーパーバックのISBN 978-1-938168-14-7）を用いた。序文（範囲、ASMとの提携とカリキュラムとの対応、コラム、解答の方針、著者）、付録を含む目次全体、そして全26章について、各章の序論、すべての節見出し、すべての「Clinical Focus」「Case in Point」「Micro Connections」「Eye on Ethics」「Disease Profile」のコラムの題名、章末の箇条書きの要約を参照した。