バイオメカニクスで紐解くバイオフィルム形成の仕組み

通过生物力学揭示生物膜形成机制

基本信息

批准号：
22KF0025
负责人：
石川拓司
金额：
$ 1.54万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

バイオフィルムは、バクテリアなどの微生物が集積した構造体である。健康問題や環境問題、工業技術と密接に関わっているが、その形成メカニズムについては不明な点が多く残されている。本研究では、まず始めに、生体内などの複雑環境下におけるバクテリア挙動を実験的に可視化計測する。次に、その現象を数理モデル化し、実験を再現する数値シミュレーションを行う。最後に、これらの結果を統合し、バイオフィルム形成過程を生物物理学的に解明する。本年度は、ゼブラフィッシュの実験系を完成させ、腸内における細菌挙動のライブイメージングに成功した。前腸と中腸、後腸の細菌挙動を詳細に計測し、その解析を行った。結果として、細菌が腸壁の窪みに集積する傾向がみられた。この現象は腸内のバイオフィルムの初期過程と考えられ、重要な発見である。観察された傾向の頻度を定量化するため、今後はさらに実験ケースを積み上げて検証していく予定である。また、本年度は、大腸菌の挙動を解析できるシミュレーションコードの開発も行った。せん断流れ中の鞭毛挙動を詳細に調べたところ、せん断速度が閾値を越えると、鞭毛が束化できなくなる現象を発見した。鞭毛が束化している場合には、大腸菌は壁近傍で一方向に安定的に遊泳できた。一方、鞭毛が束化できなくなると大腸菌は遊泳できなくなり、壁から徐々に遠ざかる傾向が見られた。これらの現象はこれまでに報告されておらず、本研究で新規に発見された現象である。今後はパラメトリックスタディを行い、大腸菌の挙動の体系化を行い、現象の発生メカニズムの解明にも挑む。以上の研究成果を公表する準備にも取り組んだ。

生物膜是一种结构，其中微生物（例如细菌）积累。尽管它与健康，环境问题和工业技术密切相关，但关于其形成机制仍然有许多未知数。在这项研究中，首先，我们在体内等复杂环境中实验可视化和测量细菌行为。接下来，现象是数学建模的，并进行数值模拟以重现实验。最后，这些结果被整合到生物物理阐明生物膜形成过程。今年，我们完成了斑马鱼的实验系统，并成功地对肠道中的细菌行为进行了实时成像。详细测量了前身，中肠和后肠的细菌行为并进行了分析。结果，细菌在肠壁上的凹陷处积聚有趋势。这种现象被认为是肠生物膜的早期过程，并且是一个重要的发现。为了量化观察到的趋势的频率，我们计划建立更多的实验案例并在将来对其进行验证。此外，今年我们还开发了可以分析大肠杆菌行为的模拟代码。在对剪切流期间鞭毛行为进行了详细研究后，我们发现，当剪切速率超过阈值时，鞭毛不能捆绑。当鞭毛捆绑时，大肠杆菌可以稳定地沿墙壁附近的一个方向游泳。另一方面，当鞭毛无法捆绑时，大肠杆菌变得无法游泳，并且倾向于逐渐离开墙壁。到目前为止，这些现象尚未报道，并且在这项研究中是新发现的。将来，我们将进行参数研究以系统化大肠杆菌的行为，并尝试阐明现象的机制。我们还努力准备发布上述研究结果。