แบคทีเรียแกรมลบเป็นแบคทีเรียที่ไม่เหมือนกับแบคทีเรียแกรมบวก ตรงที่ไม่เก็บสีคริสตัลไวโอเลตที่ใช้ใน วิธี การย้อมสีแกรมเพื่อจำแนกแบคทีเรีย^{[ 1 ]}ลักษณะเด่นของพวกมันคือเยื่อหุ้มเซลล์ประกอบด้วยผนังเซลล์ เพปติ โดไกลแคน บางๆ ที่ประกบอยู่ระหว่าง เยื่อหุ้มชั้นใน ( ไซโตพลาสมิก ) และ เยื่อ หุ้มชั้นนอก^{[ 2 ]}แบคทีเรียเหล่านี้พบได้ในทุกสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการดำรงชีวิตบน โลก

ภายในหมวดหมู่นี้ สายพันธุ์ที่โดดเด่น ได้แก่จุลินทรีย์ต้นแบบEscherichia coliรวมถึงแบคทีเรียก่อโรค ต่างๆ เช่นPseudomonas aeruginosa , Chlamydia trachomatisและYersinia pestisแบคทีเรียเหล่านี้ก่อให้เกิดความท้าทายอย่างมากในทางการแพทย์ เนื่องจากเยื่อหุ้มชั้นนอกของพวกมันทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันยาปฏิชีวนะ หลายชนิด (รวมถึงเพนิซิลลิน ) สารซักฟอกที่ปกติจะทำลายเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นใน และเอนไซม์ไลโซไซ ม์ซึ่งเป็น เอนไซม์ต้านจุลชีพที่สัตว์สร้างขึ้นเป็นส่วนหนึ่งของระบบภูมิคุ้มกันโดยกำเนิด นอกจากนี้ ชั้นนอกของเยื่อหุ้มเซลล์นี้ยังมีลิโปโพลีแซคคาไร ด์ (LPS) ที่ ซับซ้อน ซึ่งส่วนประกอบ ลิปิด Aสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาที่เป็นพิษเมื่อแบคทีเรียถูกทำลายโดยเซลล์ภูมิคุ้มกัน ปฏิกิริยานี้อาจนำไปสู่ภาวะช็อกจาก การติดเชื้อ ส่งผลให้ความดันโลหิตต่ำภาวะหายใจล้มเหลว การส่งออกซิเจนลดลงและภาวะกรดแลคติกในเลือดสูง^{[ 3 ]}

มีการพัฒนายาปฏิชีวนะ หลายกลุ่มเพื่อต่อต้านแบคทีเรียแกรมลบ ได้แก่อะมิโนเพนิซิลลิน ยูรีโด เพนิซิลลิน เซ ฟาโลสปอริน ยาปฏิชีวนะกลุ่มเบตา แลคแทม ผสมกับสาร ยับยั้งเบตาแลคตาเมส (เช่นไพเพอราซิลลิน-ทาโซแบคแทม ) สารต้านโฟเลตควิโนโลนและคาร์บาเพเนมยาปฏิชีวนะเหล่านี้หลายชนิดยังครอบคลุมถึงแบคทีเรียแกรมบวกด้วย ยาปฏิชีวนะที่มุ่งเป้าไปที่แบคทีเรียแกรมลบโดยเฉพาะ ได้แก่อะมิโนไกลโค ไซด์ โมโนแบคแทม ( เช่นแอซเทรโอแนม ) และซิโปรฟลอกซาซิน

แบคทีเรียแกรมลบทั่วไป (LPS-diderm) มีลักษณะดังต่อไปนี้ :

• มี เยื่อหุ้มเซลล์ชั้นในอยู่ ( ไซโตพลาสซึม )
• มีชั้น เพปติโดไกลแคนบางๆอยู่ (ซึ่งในแบคทีเรียแกรมบวกจะหนากว่ามาก)
• มีเยื่อหุ้มชั้นนอกที่ประกอบด้วยลิโปโพลีแซคคาไรด์ (LPS ซึ่งประกอบด้วยลิปิด A , โพลีแซคคาไรด์ แกนกลาง และแอนติเจน O ) ในชั้นนอก และฟอสโฟลิปิดในชั้นใน
• โปรตีนพอรินมีอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอก ทำหน้าที่คล้ายรูพรุนสำหรับโมเลกุลบางชนิด
• ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกและเยื่อหุ้มไซโทพลาสซึมมีช่องว่างที่เต็มไปด้วยสารคล้ายเจลเข้มข้น เรียกว่าเพริพลาสซึม
• ชั้นSยึดติดโดยตรงกับเยื่อหุ้มชั้นนอก ไม่ใช่กับเพปติโดไกลแคน
• หากมีแฟลเจลลาอยู่แฟลเจลลาจะมีวงแหวนค้ำยันสี่วงแทนที่จะเป็นสองวง
• กรดเทอิโคอิกหรือกรดลิโปเทอิโคอิกไม่มีอยู่
• ไลโปโปรตีนจะยึดติดกับโครงสร้างหลักของพอลิแซ็กคาไรด์
• บางชนิดมีไลโปโปรตีนของบราวน์ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมระหว่างเยื่อหุ้มชั้นนอกและโซ่เพปติโดไกลแคนด้วยพันธะโควาเลนต์
• ส่วนใหญ่ไม่สร้างสปอร์ ยกเว้นบางกรณี

อย่างไรก็ตาม กลุ่ม LPS-diderm (ซึ่งสอดคล้องกับอาณาจักรPseudomonadatiซึ่งเดิมเรียกว่า "Hydrobacteria") ไม่ใช่แบคทีเรียชนิดเดียวที่ย้อมติดสีลบ^{[ 4 ]} Mycobacterium (หรือส่วนใหญ่ของMycobacteriales ) ซึ่งไม่ได้อยู่ในกลุ่มนี้ ได้วิวัฒนาการเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกที่มีผนังเซลล์ที่ทำจากกรดไมโคลิกขึ้น มาเอง ^{[ 5 ]}ซึ่งทำให้มีโครงสร้างและคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

ในแบคทีเรียแกรมลบหลายชนิด โปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ IgaAทำหน้าที่ควบคุมระบบฟอสโฟรีเลย์ Rcs ในเชิงลบ ซึ่งเป็นเส้นทางตอบสนองต่อความเครียดของเยื่อหุ้มเซลล์ที่สำคัญและช่วยรักษาความสมบูรณ์ของเยื่อหุ้มเซลล์

นอกเหนือจากรูปร่างของเซลล์แล้วการย้อมสีแกรมยังเป็นเครื่องมือวินิจฉัยที่รวดเร็วและเคยใช้ในการจัดกลุ่มสปีชีส์ในกลุ่มย่อยของแบคทีเรีย ในอดีตอาณาจักรโมเนราถูกแบ่งออกเป็นสี่กลุ่มตามการย้อมสีแกรม ได้แก่เฟอร์มิคิวต์ (+), กราซิลลิคิวต์ (−), มอลลิคิวต์ (0) และเมนโดคิวต์ (var.) ^{[ 10 ]} ตั้งแต่ปี 1987 การศึกษาทางโมเลกุลได้พิสูจน์แล้วว่าแบคทีเรียแกรมลบเป็นกลุ่มเดียวกัน^{[ 11 ]}

ความรู้ในปัจจุบันแบ่งแบคทีเรียแกรมลบออกเป็นสองกลุ่มใหญ่และกลุ่มย่อยบางส่วน กลุ่มที่ "ธรรมดา" กว่าซึ่งมีเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกเป็น LPS นั้นมีบรรพบุรุษร่วมกันและจัดอยู่ในอาณาจักรPseudomonadati ^{[ 4 ]}ส่วนกลุ่มที่ไม่ค่อยธรรมดาคืออันดับMycobacterialesซึ่งมี ผนังเซลล์ เป็นกรดไมโคลิกและมีเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอก[ ^{5 ] อาณาจักร}และอันดับต่างก็เป็นกลุ่มโมโนฟิเลติก (หรือพูดอีกอย่างคือไม่ใช่กลุ่มโฮลีฟิเลติก) แต่กลุ่ม "LPS-diderm" และ "mycolic-diderm" ไม่ใช่ เพราะแบคทีเรียบางชนิดในอาณาจักรและอันดับนั้นไม่ติดสีแกรมลบ ซึ่งจะกล่าวถึงในส่วนถัดไป

โดยทั่วไปแล้ว แบคทีเรียจะถูกจำแนกตาม การ ย้อมสีแกรมเป็น แบคทีเรีย แกรมบวกและแกรมลบ แบคทีเรียแกรมบวกมีเยื่อหุ้มเซลล์เพียงชั้นเดียว จึงเรียกว่าแบคทีเรียโมโนเดอร์มในขณะที่แบคทีเรียแกรมลบมีเยื่อหุ้มเซลล์สองชั้น จึงเรียกว่าแบคทีเรียไดเดอร์มตามความเชื่อดั้งเดิม กลุ่มเหล่านี้แสดงถึงสายพันธุ์ กล่าวคือ เยื่อหุ้มเซลล์ชั้นพิเศษนี้วิวัฒนาการขึ้นเพียงครั้งเดียว ดังนั้นแบคทีเรียแกรมลบจึงมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกันมากกว่าแบคทีเรียแกรมบวก แม้ว่าสิ่งนี้มักจะเป็นความจริง แต่ระบบการจำแนกประเภทนี้ก็ล้มเหลวในบางกรณี โดยกลุ่มสายพันธุ์ไม่ตรงกับผลการย้อมสี^{[ 12 ] [ 13 ] [ 6 ] [ 7 ]}ดังนั้น การย้อมสีแกรมจึงไม่สามารถนำมาใช้ประเมินความสัมพันธ์ทางสายเลือดของแบคทีเรียได้อย่างน่าเชื่อถือ อย่างไรก็ตาม การย้อมสีมักให้ข้อมูลที่เชื่อถือได้เกี่ยวกับองค์ประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ โดยแยกแยะระหว่างการมีอยู่หรือไม่มีอยู่ของ เยื่อหุ้มไขมัน ชั้นนอก^{[ 12 ] [ 14 ]}

ในบรรดาสิ่งมีชีวิต โปรคาริโอตสองกลุ่มที่มีโครงสร้างแตกต่างกันนี้โปรคาริโอตแบบโมโนเดอร์มถือเป็นบรรพบุรุษ จากการสังเกตหลายประการ รวมถึงการที่แบคทีเรียแกรมบวกมีความไวต่อยาปฏิชีวนะ มากที่สุด และแบคทีเรียแกรมลบโดยทั่วไปจะดื้อต่อยาปฏิชีวนะ จึงมีการเสนอว่าเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกในแบคทีเรียแกรมลบ (ไดเดอร์ม) วิวัฒนาการมาเป็นกลไกป้องกันแรงกดดันจากการคัดเลือก โดยยา ปฏิชีวนะ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 8 ]}แบคทีเรียบางชนิด เช่นDeinococcusซึ่งย้อมติดสีแกรมบวกเนื่องจากมี ชั้น เพปติโดไกลแคน หนา แต่ก็มีเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกด้วย จึงถูกเสนอว่าเป็นตัวกลางในการเปลี่ยนผ่านระหว่างแบคทีเรียแบบโมโนเดอร์ม (แกรมบวก) และไดเดอร์ม (แกรมลบ) ^{[ 12 ] [ 8 ]}

กลุ่มแบคทีเรียแกรมลบ ที่มี LPS - diderm แบบดั้งเดิม (เช่นPseudomonadota , Aquificota , Chlamydiota , Bacteroidota , Chlorobiota , Cyanobacteria , Fibrobacterota , Verrucomicrobiota , Planctomycetota , Spirochaetota , Acidobacteriota ) มีลักษณะเฉพาะที่ระบุโดย indel ลายเซ็นที่อนุรักษ์ไว้ไม่กี่ตัว(CSI) ใน โปรตีน HSP60 ( GroEL ) การมีอยู่ของ CSI นี้ในทุกสายพันธุ์ที่ได้รับการจัดลำดับของไฟลัมแบคทีเรียแกรมลบที่มีลิโปโพลีแซคคาไรด์แบบดั้งเดิมเป็นหลักฐานว่าไฟลัมแบคทีเรียเหล่านี้ก่อตัวเป็น กลุ่ม โมโนฟิเลติกและไม่มีการสูญเสียเยื่อหุ้มชั้นนอกจากสายพันธุ์ใด ๆ ในกลุ่มนี้^{[ 8 ]}ดังนั้นจึงได้รับการกำหนดให้เป็นอาณาจักรPseudomonadati (เดิมชื่อ "Hydrobacteria") ^{[ 4 ]}

ความยากอยู่ที่กลุ่มสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่มีโครงสร้างแบบไดเดอร์มเช่นกัน

• กลุ่มแรกเป็นกลุ่มพาราไฟเลติกประกอบด้วยแท็กซาจำนวนหนึ่ง (รวมถึงNegativicutes , Fusobacteriota , SynergistotaและElusimicrobiota ) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของไฟลัมBacillota (กลุ่มโมโนเดอร์ม) หรือเป็นสาขาที่อยู่ใกล้เคียง^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}พวกมันขาด ลายเซ็น GroEL CSI ซึ่งเป็นหลักฐานว่าพวกมันไม่ได้อยู่ในกลุ่มเดิม^{[ 8 ]}สมาชิกบางตัวน่าจะเป็นโมโนเดอร์ม เพียงแต่มีชั้น LPS บางมากจนไม่ปรากฏบนสีย้อม ส่วนตัวอื่นๆ มีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่า^{[ 15 ]}
• กลุ่มที่สองคือMycobacterium ที่เกี่ยวข้องทางคลินิก ซึ่งขยายไปถึงอันดับ Mycobacterialesส่วนใหญ่พวกมันไม่มี CSI และผนังเซลล์ของพวกมันทำจากสารที่แตกต่างกัน คือกรดไมโคลิก^{[ 5 ]}

โปรตีโอแบคทีเรียเป็นซูเปอร์ไฟลัมหลักของแบคทีเรียแกรมลบ ซึ่งรวมถึงE. coli , Salmonella , ShigellaและEnterobacteriaceae อื่นๆ , Pseudomonas , Moraxella , Helicobacter , Stenotrophomonas , Bdellovibrio , แบคทีเรียกรดอะซิติก , Legionellaเป็นต้น กลุ่มแบคทีเรียแกรมลบที่น่าสนใจอื่นๆ ได้แก่ ไซยาโนแบคทีเรีย สไปโรเคตและแบคทีเรียกำมะถันสีเขียว^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

แบคทีเรียแกรมลบรูปทรงกลมคู่ที่มีความสำคัญทางการแพทย์ได้แก่ แบคทีเรีย 4 ชนิดที่ก่อให้เกิดโรคติดต่อทางเพศสัมพันธ์ ( Neisseria gonorrhoeae ^{[ 19 ]} ) โรคเยื่อหุ้มสมองอักเสบ ( Neisseria meningitidis ^{[ 20 ]} ) และอาการทางระบบหายใจ ( Moraxella catarrhalis [ ^{21 ] )} Haemophilus influenzaeเป็นแบคทีเรียรูปทรงกลมอีกชนิดหนึ่งที่มีความสำคัญทางการแพทย์^{[ 22 ]}

แบคทีเรียแกรมลบที่มีความสำคัญทางการแพทย์มีหลายชนิด บางชนิดก่อให้เกิดปัญหาระบบทางเดินหายใจเป็นหลัก ( Klebsiella pneumoniae , Legionella pneumophila , Pseudomonas aeruginosa ) บางชนิดก่อให้เกิดปัญหาระบบทางเดินปัสสาวะเป็นหลัก ( Escherichia coli , Proteus mirabilis , Enterobacter cloacae , Serratia marcescens ) และบางชนิดก่อให้เกิดปัญหาระบบทางเดินอาหารเป็นหลัก ( Helicobacter pylori , Salmonella enteritidis , Salmonella typhi ) ^{[ 23 ]}

แบคทีเรียแกรมลบที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อในโรงพยาบาลได้แก่Acinetobacter baumanniiซึ่งเป็นสาเหตุของ ภาวะ ติดเชื้อในกระแสเลือด เยื่อหุ้ม สมองอักเสบและปอดอักเสบจากการใช้เครื่องช่วยหายใจในหน่วยดูแลผู้ป่วยหนัก ของโรง พยาบาล

การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมเป็นหนึ่งในสามกระบวนการของการถ่ายทอดยีนในแนวนอนซึ่งวัสดุพันธุกรรมภายนอกจะผ่านจากแบคทีเรีย ตัวหนึ่ง ไปยังอีกตัวหนึ่ง อีกสองกระบวนการคือการถ่ายโอนยีน (การถ่ายโอนวัสดุพันธุกรรมระหว่างเซลล์แบคทีเรียสองเซลล์ที่สัมผัสกันโดยตรง) และการถ่ายทอดยีน (การฉีด DNA ต่างประเทศโดย ไวรัส แบคทีริโอเฟจเข้าไปในแบคทีเรียเจ้าบ้าน) ^{[ 24 ] [ 25 ]}ในการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม วัสดุพันธุกรรมจะผ่านตัวกลาง และการดูดซึมจะขึ้นอยู่กับแบคทีเรียผู้รับอย่างสมบูรณ์^{[ 24 ]}

ณ ปี 2014 มีแบคทีเรียประมาณ 80 ชนิดที่ทราบว่าสามารถเปลี่ยนแปลงได้ โดยแบ่งเป็นแบคทีเรียแกรมบวกและแกรมลบอย่างเท่าๆ กัน ตัวเลขนี้อาจสูงเกินจริง เนื่องจากรายงานหลายฉบับได้รับการสนับสนุนจากเอกสารเพียงฉบับเดียว^{[ 24 ]}การเปลี่ยนแปลงได้รับการศึกษาในแบคทีเรียแกรมลบที่มีความสำคัญทางการแพทย์ เช่นHelicobacter pylori , Legionella pneumophila , Neisseria meningitidis , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzaeและVibrio cholerae [ ^{26 ] นอกจาก}นี้ยังมีการศึกษาในแบคทีเรียแกรมลบที่พบในดิน เช่นPseudomonas stutzeri , Acinetobacter baylyiและแบคทีเรียก่อโรคพืชแกรมลบ เช่นRalstonia solanacearumและXylella fastidiosa ^{[ 26 ]}

หนึ่งในลักษณะเฉพาะหลายประการของแบคทีเรียแกรมลบคือโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกของแบคทีเรียชั้นนอกของเยื่อหุ้มเซลล์นี้ประกอบด้วยลิโปโพลีแซคคาไรด์ (LPS) ซึ่งส่วนของลิปิด A ทำหน้าที่เป็น เอนโดท็อกซิน [ ^{1 ] หาก}แบคทีเรียแกรมลบเข้าสู่ระบบไหลเวียนโลหิต LPS สามารถกระตุ้นการตอบสนองภูมิคุ้มกันโดยกำเนิดกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันและผลิตไซโตไคน์ (สารควบคุมฮอร์โมน) ซึ่งนำไปสู่การอักเสบและอาจทำให้เกิดปฏิกิริยาเป็นพิษ ส่งผลให้มีไข้ อัตราการหายใจเพิ่มขึ้น และความดันโลหิตต่ำ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการติดเชื้อแบคทีเรียแกรมลบบางชนิดจึงอาจนำไปสู่ ภาวะช็อกจากการติดเชื้อที่เป็นอันตรายถึงชีวิตได้^{[ 3 ]}

เยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกช่วยปกป้องแบคทีเรียจากยาปฏิชีวนะ สีย้อม และผงซักฟอกหลายชนิดซึ่งโดยปกติแล้วจะทำลายเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นในหรือผนังเซลล์ (ที่ทำจากเพปติโดไกลแคน ) เยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกทำให้แบคทีเรียเหล่านี้ทนทานต่อไลโซไซม์และเพนิซิลลิน ช่องว่าง ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งสองชั้น (periplasmic space) ยังมีเอนไซม์ที่ย่อยสลายหรือดัดแปลงยาปฏิชีวนะ ยาที่ใช้รักษาการติดเชื้อแบคทีเรียแกรมลบโดยทั่วไป ได้แก่ เพนิซิลลินกลุ่มอะมิโน คาร์บอกซี และยูรีโด (เช่นแอมพิ ซิลลิน อะม็อกซิซิล ลินไพเพอร์ซิล ลิน และ ทิการ์ ซิลลิน ) ยาเหล่านี้อาจใช้ร่วมกับสารยับยั้งเบต้า-แลคตาเมสเพื่อต่อต้านเอนไซม์ที่สามารถย่อยสลายยาเหล่านี้ (เรียกว่าเบต้า-แลคตาเมส ) ในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งสองชั้น ยาประเภทอื่นที่มีฤทธิ์ต้านแบคทีเรียแกรมลบ ได้แก่เซฟาโลสปอริน โมโนแบคแทม ( แอซเทรโอแนม ) อะมิโนไกลโคไซด์ ค วิโน โลนมาโครไลด์ คลอแรมเฟนิคอลสารต้านโฟเลตและคาร์บาเพเนม^{[ 27 ]}

คำคุณศัพท์Gram-positiveและGram-negativeมาจากนามสกุลของHans Christian Gramนักแบคทีเรียวิทยาชาวเดนมาร์ก ในฐานะคำคุณศัพท์ที่ตั้งชื่อตามบุคคล ตัวอักษรตัวแรกGสามารถเป็นตัวพิมพ์ใหญ่หรือตัวพิมพ์เล็กก็ได้ ขึ้นอยู่กับคู่มือรูปแบบ ที่ ใช้ ตัวอย่างเช่น คู่มือรูปแบบของCDC ของอเมริกา แนะนำให้เขียนว่า: การย้อมแกรม สปีชีส์นี้เป็นแกรมลบและ สปีชี ส์แกรมลบ^{[ 28 ] [ 29 ]}

• ออโตชาเปอโรน
• แบคทีเรียแกรมแปรผันและแบคทีเรียแกรมไม่แน่นอน
• OMPdb (2011)
• ตัวรับเยื่อหุ้มชั้นนอก

• โครงสร้างสามมิติของโปรตีนจากเยื่อหุ้มชั้นในของแบคทีเรียแกรมลบของเอลลี ไวธ์