June, 3, 2025, Pittsburgh--カーネギーメロン大学(CMU)で開発された革新的なイメージング技術により、バイオフィルムコミュニティから出る単一の細菌細胞が明らかになった。
バクテリアを高解像度でリアルタイムに観察することで、バイオフィルム内の単一細胞がどのように動き、バイオフィルムがどのように分散するかについての理解を深める、これまでにない視点を得ることができる。PLOS Biologyに掲載されたその結果は、バイオフィルム中の病原体がどのように広がるかの根底にあるメカニズムについての基本的な洞察を提供する。
ほとんどの細菌は、バイオフィルムと呼ばれる多細胞コミュニティで一生の多くを過ごす。バイオフィルムの中に住むことで、バクテリアは集合的に栄養素を獲得し、抗生物質や塩素化などの脅威に抵抗することができる。ある推定によると、ヒトの細菌感染の最大70%はバイオフィルム形成細菌によって引き起こされる。
表面に付着しているにもかかわらず、バイオフィルムは静止していない。コレラ菌によって形成されるものなど、多くの種類は、バイオフィルムの形成と分解を繰り返し、新たに遊離した細菌が歩き回ることを可能にする。
「バイオフィルムに出入りできることは、細菌がニッチ間で広がるために重要である。それはいくつかの環境上の場所の間にあるかも知れないし、より関連性が高いのは、宿主や感染場所の間にあるかも知れない」と生物科学部Drew Bridges助教はコメントしている。
バイオフィルムの分解と拡散は、病気の蔓延に重要な役割を果たすが、これらのプロセスを顕微鏡法や関連するイメージング技術で研究することは、これまでは不可能だった。
「われわれが達成できたような解像度でバイオフィルムの拡散を画像化できた人は誰もいなかった。そして、それはFAPラベリング技術によるものである」(Bridges)。
FAPsは、フルオロゲン活性化タンパク質の略で、蛍光色素であるフルオロゲンに結合した場合にのみ蛍光を放出する。それらは、一般的に利用されない可視スペクトルの領域、つまり遠赤領域で光を放出する。遠赤色光は通常、生物に対する毒性が低く、組織を介したイメージングに適している。
FAPsは、科学者がバイオフィルムを画像化する際に直面する一般的な問題に対する理想的な回避策である。従来の蛍光タンパク質は、光を放出するために酸素を必要とする。しかし、バイオフィルムでは、バクテリアが非常に密集しているため、酸素が不足し、染料が点灯するのを防ぐ。Bridgesによると、バイオフィルムで機能するプローブを使用せずに優れた顕微鏡検査を行うことは困難である。
「それはわれわれが回避しなければならないと考えていた問題だった。さらに、CMUに着いたとき、FAPsについて学んだ。また、そのメカニズムは他の蛍光タンパク質の働きとは大きく異なるため、最適な代替品である。それらは酸素制限に敏感ではない」(Bridges)。
FAPsは2008年にCMUで開発された。それ以来、CMUの研究者と共同研究者は、多様な生物学的応用のためのFAP技術を開発する150以上の論文を発表している。この研究は、バイオフィルムの画像化にFAPsが使用された初めてのものである。
プロジェクトサイエンティストでFAPの専門家であるRobert van de Weerdと緊密に協力して、Bridges研究室はコレラ菌のゲノムにFAPsを組み込んだ。科学者たちは、成長する細菌コロニーにマラカイトグリーン由来の蛍光素を追加し、FAPsに結合して遠赤色蛍光を発した。チームは、スピニングディスク共焦点顕微鏡を使用して、コレラ菌のバイオフィルム内の細胞が移動、分解、分散する様子を追跡した。
リアルタイムのシングルセルイメージングにより、細菌が端から分散し始めることが明らかになったが、これは必ずしも驚くべきことではなかった。Bridgesが興味を持ったのは、細胞の亜集団、約20%〜25%が残り、決して離れないのを見たことだった。同氏は、それらがとどまっていることが単にトラップされていることに基づいているのか、それとも何か他のことが起こっているのかを判断するためにさらに調べている。
このイメージングでは、細胞が大きな外向きの変位を示す局所的な動的領域、または分散「ホットスポット」の発達も明らかになった。また、バイオフィルムの周辺にある一部の細胞は、バイオフィルムのコアに向かって離れず、むしろ圧縮されていることも観察した。Bridgesの仮説は、細胞自体がバイオフィルムの主要な機械的要素であり、細胞が離れ始めると全体の構造が崩壊するというものである。
Bridgesによると、この発見は、全体として、バイオフィルムの特定の領域がより流動的になり、内部からでも細胞の局所的な外向きの動きを可能にするモデルを示唆している。同時に、より剛性の高いセルグループは、新たに占有されていないスペースを埋めるために圧縮を受ける。Bridges研究室では、バイオフィルムの開発と分散中に、これらの機械的特性の局所的な違いがどのように確立されるかを調べている。また、FAPラベリング技術を他の悪名高いバイオフィルム形成剤にも適用する予定である。