顕微鏡下の緑がかった輝きは、タイムズ スクエアに匹敵するほどの強さではなかったかもしれませんが、微生物学者のキャサリン コイトにとって、この賑やかな街を初めて目にしたときは、同じくらい刺激的でした。オックスフォード大学の博士課程の学生だった彼女は、マイクロ流体チップと呼ばれる世界で最も小さなスイス チーズのスライスのように、穴がちりばめられた小さなプラスチック板を設計しました。それは、多くのバクテリアが生息する土壌などの多孔質環境に似せることを意図しており、彼女はそこにさまざまな株の E を播種しました。大腸菌 .彼女はそれぞれの菌株に蛍光タンパク質をタグ付けして、特徴的な色を付けました。これにより、Coyte は各細胞タイプの存在数を測定できるようになりました。安定した水の流れがセットアップに栄養分をもたらしたので、彼女は立ち止まり、バクテリアがバイオフィルムとして知られる微生物のメガロポリスを構築するのを見ました.
バイオフィルムはどこにでもあります。原核生物と呼ばれる単純な細胞の 99.9% は、フラスコの中で泳いでいる、またはペトリ皿に横たわっている孤独な微生物に代わるまれな代替物ではありません。これらのクラスター化した細菌のバイオフィルムは、中心線やカテーテルに根絶不可能な感染を引き起こす可能性があります。下水道から歯まで、あらゆるものを汚します。単一のバイオフィルムに住むことができる数十億のバクテリアは、細胞外マトリックスと呼ばれる糖とタンパク質の粘着性のある組み合わせで自分自身を覆い、選択した表面に効果的に接着します.マトリックスとバイオフィルムの物理的形状の両方が、構造の中心にある細胞を捕食者や抗生物質による攻撃から保護します.バイオフィルムのサイズとその中の細胞の相互作用により、さまざまな細胞が特定のタスクに特化する機会が与えられます。たとえば、食物の獲得、捕食者の破壊、構造全体を再成長させるための遺伝物質の貯蔵庫としての役割などです。
「私たちは、本質的に自然の生息地であるこれらの複雑なコミュニティを観察し、その構造や代謝を研究することができます.カリフォルニア州立大学モントレーベイ校の海洋生物学者であるメリッサ・ギャレンは、次のように述べています。
その好例として、現在ニューヨークのメモリアル・スローン・ケタリングがんセンターのポスドクであるCoyteによるマイクロ流体チップ実験と彼女の同僚は、水の流れと存在する細菌の数がバイオフィルムの成長をどのように抑制し、再構成できるかを明らかにしました.彼らの研究は、今年 全米科学アカデミー紀要 に掲載されました。 、流体力学的せん断や細胞外マトリックスの粘着性などの物理的な力が微生物の成長を複雑な集合体に形作ることを示す急成長中の文献に追加されます。これらの研究は、バイオフィルムの形成と進化を支配する規則を解読するための大きな一歩を提供します.
これらの生物物理学的な力は、バイオ フィルム都市の普遍的なゾーニング ルールのようなものです。住民が食料や建材を入手する方法、移動方法、互いに相互作用する方法を支配します。都市計画者が土木工学の原則と規制に関する知識を利用して人々のためにより良い都市を建設するのと同じように、微生物学者と生物工学者はこれらの規則を利用して、私たちの内外に生息する何十億もの細胞を多かれ少なかれ受け入れやすい物体にすることができます。
1683 年 9 月 17 日、Antonie van Leeuwenhoek は Royal Society of London に手紙を書き、彼が顕微鏡で見た小さな「動物」のニュースを伝えました。レーウェンフックは、一度も歯を磨いたことのない 2 人の女性と 2 人の老人の歯から、「まるでねり粉のように厚い小さな白い物質」をこすり落とし、手で磨いたレンズでそれを見ました。彼の手紙は、記録された細菌の最初の記述の1つになるもので、「信じられないほど素晴らしい生きた小動物の群れであり、これまでに見たことがないほど速く泳いでいる」と述べています。科学者たちは、レーウェンフックが説明した歯垢が実際にはバイオフィルムであり、個々のバクテリアの単純な集まりではないことを知っています.
レーウェンフックの初期の発見の日付にもかかわらず、微生物学者がバイオフィルムの調査を開始するのに 1970 年代から 80 年代までかかりました。プリンストン大学のボニー・バスラーのような初期のパイオニアは、クオラムセンシングとして知られるプロセスで、バクテリアが仲間の個体数を調査するために使用する化学シグナルを特定しました。他の研究者は、細胞外マトリックスを合成する遺伝子と、このマトリックスが種間、さらには同じ個体内でさえもどのように変化するかを解読しました.
これらの科学的貢献は重要でしたが、研究には根本的な制限がありました。バイオフィルムが同一のバクテリアの塊と異なるのは、構成微生物間の多数の相互作用です。しかし、これらの科学者は、ペトリ皿または同等のもので成長するバイオフィルムを観察することを主に義務付けられていました.そして、これらの単純な実験室条件では、バイオフィルムとその機能を形成する生物物理学的相互作用の全範囲をサポートできないことがますます明らかになりました.
たとえば、バイオ フィルム内の細菌間の相互作用の多くは、バイオ フィルム内とそれらの間の両方で激しい競争です。急速に成長する生物は、隣人がスペースを占有する前に栄養素を奪います.他の細菌種は抗生物質を分泌して、競合他社が自分の領土に肘をつくのを防ぎます.自由負荷細胞が、エネルギーと貴重な栄養資源を犠牲にして生成された細胞外マトリックスの恩恵を受けるのを防ぐために、ある種のバクテリアはマトリックス分子に付着してそれらを「私有化」します。バイオフィルム内の微生物は、バイオフィルム内のどこに位置し、遺伝的背景に応じて、さまざまなタスクに特化することもできます.端にある細胞は、食物を獲得し、捕食者を追い払うことに重点を置いていますが、コアにある細胞は、しばしば身をかがめ、予備として機能します。内部のセルも、リソースを共有することとそれらをめぐって競合することの間の紙一重です。これらすべての相互作用の成功または失敗は、バイオフィルムが成長している動的な物理的状況の正確な詳細に大きく依存し、ミクロン単位で大幅に変化する可能性があります.
その結果、純粋な培養で増殖するバクテリアとは見た目も働きも異なる複雑な協同組合ができたとコイテは言う。 「私たちはペトリ皿で細菌の進化を考える習慣があります。つまり、物理学に基づく選択圧に関する重要な要素が欠けているということです」と彼女は言いました。
ドイツのマールブルクにあるマックス・プランク陸生微生物学研究所の生物物理学者であるクヌート・ドレッシャーによると、最初のバイオフィルム研究者は、微生物群集の存在を支配する物理的な力よりも、これらの微生物群集の化学的環境に重点を置いていました。過去 5 年から 10 年で、マイクロスケール エンジニアリングと高解像度顕微鏡の進歩により、科学者は個々の細胞に作用する物理的な力を測定し、実験室でさまざまな環境条件を再現できるようになりました。バイオフィルム、細胞ごと。
「バイオフィルムがどのように成長するかを理解したい場合は、個々の細胞を見る必要があります。結果として生じるアーキテクチャと生理学は、これらの相互作用から生じます」と Drescher 氏は述べています。
成長するバイオフィルムに影響を与える物理的な力に関する初期の実験でさえ、既存の考えに挑戦しました。マイクロ流体チップは、微生物が付着する表面のテクスチャと形状が、栄養素の分布と結果として生じるバイオフィルムの形状を制御するため、誰もが考えていたよりもはるかに重要であることを示しました.同様に、急速に流れる水は、流体力学的せん断力がゆるい細胞をこじ開けることができるため、バイオフィルムの形成を妨げる可能性があります.
しかし、研究者は例外を発見しました。 2008 年、ワシントン大学の生物工学者である Wendy Thomas は、E.大腸菌 彼らは、線毛と呼ばれるフリンジ状の付着糸を進化させました。これは、より穏やかな流れよりも流れの速い水でよりよく付着します。他の細菌は、異なるタイプの細胞外マトリックスを作成し、流体力学的せん断が大きい領域で優れた粘着力を発揮します。研究者がより多くの層の物理的変数と生物学的反応を関連性として認識するにつれて、全体像はますます複雑になります。
この複雑さは、多くのバクテリアの実世界での行動を理解する上で不可欠であることが判明しました。細菌緑膿菌について考えてみましょう。 免疫不全の個人に生命を脅かす感染症を引き起こす可能性があり、人工呼吸器やカテーテルなどの医療機器に弾力性のあるバイオフィルムを形成する可能性があります. E のように。大腸菌 、シュードモナス 菌株は、それらが作るマトリックス分子のタイプが異なります。 2017 年 1 月、Bassler、Drescher とその同僚は、単純な環境では、マトリックスを生成する菌株が、生成しないいとこよりも常に勝つことを示しました。
次に、科学者は環境をより複雑にし、単純な線形構造を湾曲した構造や枝分かれした構造に置き換えました。この曲がりくねったネットワークは交通問題を引き起こし、すべての発展途上地域に共通する深刻な問題となっています。最初に、研究者はマトリックスを産生するシュードモナスを発見しました。 水が絶え間なく流れているにもかかわらず、彼らは水面にくっつくことができたので、彼らの隣人を打ち負かしました.それから問題が始まりました。結果として生じるマトリックス生産者のバイオフィルムは非常に大きくなり、それ自体の水と栄養素の流れを遮断し、マトリックスを生産する相手と競合することなくマトリックスを含まない細胞が成長できる完全な流れのないニッチを提供しました.水の流れと表面の微細構造により、シュードモナス属の異なる菌株が可能になりました 結果として生じるバイオフィルムを支配します。
ドレッシャーの研究室の上級科学者であり、新しい今年 eLife に掲載されたこの研究についての研究 .
バイオフィルムの成長において、競争は常に速いとは限りません。 米国科学アカデミー紀要でのコイトの研究 より穏やかな成長が、複雑な環境でより大きな長期的成功をもたらす可能性があることに注目しました。 Coyte が考案した数学的モデルはその仮説を支持したので、それをさらに調査するために、彼女は多くのバイオフィルムの土壌生息地を模倣したマイクロ流体チップを構築しました。彼女は E の 2 つの系統のそれぞれにタグを付けました。大腸菌 — 1 つはバイオフィルムに急速に成長し、もう 1 つはゆっくりと成長し、顕微鏡下でそれらを識別するための独自の蛍光色マーカーを備えています。
彼女と彼女の同僚が観察したことは、低フローの条件下では、急速に成長する株がリソースへの自身のアクセスを遮断する傾向があるため、成長の遅い株が繁栄することでした.流速が速いと、両方の品種が洗い流されることがよくありましたが、急速に成長する株は、細胞を下流に分散させて他の場所にコロニーを形成することに成功しました.中間の流速では、結果はより複雑になりました。急成長中のE.大腸菌 バイオフィルムが厚くなると、水と栄養素の流れが成長の遅い仲間に移されました。ただし、その利点は必ずしも永続的ではありませんでした.成長の遅い株自体の厚さが水の動きをブロックし始めると、利点は成長の速い株に戻ることがありました.菌株間のこの安定化の往復により、バイオフィルムの全体的な成長が緩和されましたが、両方の菌株は引き続き成長し、細胞を分散させました.
「以前の研究は記述的でした。それらは十分に定量的ではありませんでした。これらの研究はそれを変えるのに役立ちました。 表面構造や水流のわずかな変化でさえ、どの微生物が繁栄するかを変える可能性があります — それらが生き残ったとしても.
抗生物質は、さまざまな種類の分散感染症と闘う上で驚異的な効果を発揮してきましたが、バイオフィルムとして成長する細菌は、はるかに脆弱ではなく、はるかに回復力があります.何十年もの間、より強力な抗生物質をバイオフィルムに投げつけてきましたが、バイオフィルムによる死亡者数を食い止めることはできませんでした。これらのバクテリア都市をマイクロスケールで制御する生物物理学的ルールに焦点を当てることで、科学者は都市の無秩序な広がりを止め、より多くの人間に戦う機会を与えることができるかもしれません.
