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バイオフィルム: 隠れたメリットがある複雑な構造

研究によると、細菌バイオフィルムはエネルギー生成や汚染のクリーンアップに役立つことがあるんだ。

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バイオフィルム:隠れた使いバイオフィルム:隠れた使い道が明らかにリーンアップに役立つよ。バイオフィルムはエネルギー生成や汚染のク
目次

細菌バイオフィルムは、微生物が集まって一緒にくっつき、表面に保護層を形成するものだよ。この層は、細菌が自分たちで作るスライミーな物質、つまり細胞外ポリマー行列で覆われてる。長い間、人々はバイオフィルムが有害だと思ってたけど、最近の研究では、バイオフィルムが有益な役割も果たすことが分かってきた。バイオフィルムは有害物質を分解するのに関わっていて、汚水の処理やエネルギー生成など、いろんな応用があるんだ。

バイオフィルムの構造

バイオフィルムの重要な部分は、細胞外ポリマー物質(EPS)行列だ。この行列は、細菌を保護して厳しい環境でも生き残るのを助けるんだ。この行列の中で、細菌同士が相互作用して電子を共有することができるんだ。これはエネルギー生成にとって重要なんだよ。細菌は生きるためにエネルギーが必要で、さまざまな化学反応を通じて得ているんだ。

バイオフィルムの中で電子を動かすために助ける分子はいろいろあって、フラビン、フェナジン、キノンなんかがあるんだ。これらの物質が少しでもあると、電子の移動を手助けすることができる。こういう相互作用をもっと学ぶことは、廃棄物を電気に変える微生物燃料電池みたいな技術を改善するために重要だよ。でも、バイオフィルムの中でこれらの相互作用をリアルタイムで測るのはかなり難しいんだ。

バイオフィルム研究の課題

バイオフィルムの研究は難しいんだ。なぜなら、バイオフィルムは均一ではないから。いろんな構造や化学的組成があって、それが成長や挙動の理解を難しくしてる。従来の方法でバイオフィルムを監視すると、実験の最後にしか情報が得られないんだ。これがバイオフィルムにダメージを与えたり、細菌の行動を変えたりすることもあるんだよ。また、特定の化学物質を使ってバイオフィルムを染色するのも、細菌に影響を与えることがある。

これらの問題を避けるために、研究者たちはバイオフィルムを研究するためにあまり侵入的でない方法を探しているんだ。 promisingな技術の一つは、化学的変化をバイオフィルムの中で検出できる電気化学センサーなんだ。これによりリアルタイムでの監視が可能になって、バイオフィルムの挙動をよりよく理解できるんだ。ただ、これらの電気化学的測定では、バイオフィルムの中で起こっている生物学的プロセスの詳細な情報は得られないんだ。

ケーススタディ:バチルス・サブチリス

この研究は、バイオフィルムを形成することで知られるバチルス・サブチリスという特定の細菌に焦点を当ててる。研究者たちは、これらのバイオフィルムの電気的活動が時間とともにどう変わるかを調査したんだ。電気化学的測定や高精度の顕微鏡を使って、バチルス・サブチリスの挙動を詳しく観察したよ。

最初に、研究者たちは金の電極の上でバチルス・サブチリスを育てた。バイオフィルムの形成を24時間監視して、走査型電子顕微鏡(SEM)を使ってバイオフィルムがどう発展したかを視覚化したんだ。最初の頃は、細菌は散らばっていて、ゆるく整理されてるように見えたけど、24時間後にはバイオフィルムが複雑でしっかり詰まった構造を示したんだ。これは、表面や互いに強く付着していることを示していて、バイオフィルムの安定性には欠かせないんだ。

電気的活動の測定

バイオフィルムがどのように電気信号を生成するのかを理解するために、研究者たちは電気化学的測定を行って、電流が時間とともにどう変化するかに注目したんだ。バイオフィルムを形成するバチルス・サブチリスは、バイオフィルムがない株に比べて成長中に高い電流を生成することが分かった。これは、バイオフィルムがエネルギーをより効率的に捕えるのに役立っていることを示唆してる。

時間が経つにつれて、センサーが記録した電流は増加した。約10時間のところで、これはEPS行列の発展に関連していて、バイオフィルムの電子移動能力に重要な役割を果たすんだ。研究者たちはまた、電気信号がバイオフィルム形成に関わる特定の遺伝子の発現と関連していることにも気づいた。この相関から、バイオフィルムが成長して発展するにつれて、形成を制御する遺伝子が活性化されるようだ。

遺伝子発現の観察

研究者たちは、バチルス・サブチリスにおける遺伝子発現を調べて、バイオフィルムの発展に関連する遺伝子が時間とともにどう振る舞うかを観察したんだ。具体的には、tasAとhagという2つの遺伝子に注目したよ。これらの遺伝子は、バイオフィルムの形成や細菌の移動に重要なんだ。この研究では共焦点顕微鏡を使って細菌を詳細に撮影し、これらの遺伝子の発現を追跡したんだ。

最初の2時間は電気信号が低かったため、tasA遺伝子は発現しなかった。でも、24時間後、バイオフィルムが電荷移動抵抗を生成し始めた時には、tasAとhagの両方の遺伝子が発現を増加させることが分かった。これは、バイオフィルム形成の調整が時間とともに行われ、遺伝子発現とバイオフィルムの電気的活動との関係を強調する結果なんだ。

今後の研究への影響

バチルス・サブチリスのバイオフィルムを研究するために複数の技術を組み合わせたことで、研究者たちはバイオフィルムの形成と電気的活動が密接に関連していることを示したんだ。彼らの結果は、細菌がエネルギーを生成するプロセスが特定の遺伝子の発現と密接に結びついていることを示唆している。これらの関係を理解することで、バイオフィルムの有益な側面をいろんな応用に生かすためのより良い戦略が生まれるかもしれないよ。

例えば、微生物燃料電池におけるバイオフィルムの使用は、電子移動能力を強化することに焦点を当てれば最適化できるんだ。今後の研究では、遺伝子の突然変異を作成して、異なる遺伝子がバイオフィルムの挙動や電子移動プロセスにどう影響を与えるかを探るかもしれないね。

結論

細菌バイオフィルムは、有害な細菌の塊以上のもので、汚染物質の浄化やエネルギー生成など、多くの応用に役立つ可能性があるんだ。この研究は、バイオフィルム形成の複雑さ、細菌間の相互作用、そしてその電気的特性が時間とともにどう変化するかに光を当てているよ。この分野の研究は、細菌の自然な能力を利用して現実の問題を解決する持続可能な技術の開発に大きな可能性を持っているんだ。バイオフィルムの基本を理解することで、研究者たちは微生物の力を活用できる効率的なシステムを作り出すことができるんだ。

オリジナルソース

タイトル: Electrogenic Dynamics of Biofilm Formation: Correlation Between Genetic Expression and Electrochemical Activity in Bacillus subtilis

概要: Bacterial biofilms are structured microbial communities that play a big role in diverse processes such as nutrient cycling and bacterial pathogenesis. Biofilms are known for their electron transfer properties which are essential for metabolic processes, microbial survival, and maintaining redox balance. In this study, we investigated the electrogenic properties of Bacillus subtilis, a bacterial producer of electron-donating biofilms. Interdigitated gold electrodes were utilized to continuously measure the electrochemical activity of biofilm-forming B. subtilis cells as well as genetic mutants unable to create them (biofilm-deficient), over three days of growth. The formation of extracellular polymeric substances (EPS) and filamentous appendages was monitored via scanning electron microscopy (SEM). Chronoamperometry was used to assess electrochemical activity, which showed fluctuations in electrical current at specific time points in biofilm-forming cells. In contrast, biofilm-deficient cells showed no corresponding changes in current. Cyclic voltammetry (CV) revealed significant differences between the voltammograms of biofilm-forming and biofilm-deficient cells that were hypothesized to be a result of the reduction of secreted flavodoxin only in biofilm-forming cells. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was also performed at various intervals and analyzed using an equivalent circuit model. We identified the presence of a charge transfer resistance (Rct) exclusively in biofilm-forming cells which correlated to the time of increased electrochemical activity measured using choronoamperometry. Finally, through confocal microscopy, we found that the expression of a gene involved in biofilm matrix formation, tasA, was correlated with the time where electrochemical charge transfer was measured. Altogether, these results indicate that electrochemical activity is primarily present in biofilm-forming cells rather than in biofilm-deficient mutants. By combining electrochemical and microscopic methods, a methodology was developed to continuously monitor the stages of biofilm formation through measurement of electrochemical activity, substantiating a correlation between the expression of biofilm genes and their electrochemical or redox activities. These data show that electrochemical activities within biofilms vary over time and there is a temporal relationship between these processes and the expression of genes responsible for biofilm development.

著者: Carolina Tropini, A. Yavarinasab, J. He, A. Mookherjee, N. Krishnan, L. R. Pestana, D. Fusco, D. Bizzotto

最終更新: 2024-10-05 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.04.616699

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.04.616699.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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