Paula AJ, Hwang G, Koo H.
Nat Commun. 2020 Mar 13;11(1):1354.
doi: 10.1038/s41467-020-15165-4. PMID: 32170131; PMCID: PMC7070081.
バイオフィルム形成は、細菌の接着、クラスター化、大規模なコミュニティへの構造的な組織化を含む動的なプロセスである。構造化されたコミュニティの形成のためには、短距離（細胞-細胞または細胞-マトリックス）相互作用が重要である。例えばV. cholera バイオフィルムのコミュニティの三次元形成は、細胞の配向、細胞密度、細胞間距離、マイクロコロニー間の距離などの複数の要素が関係している。しかし、表面上の異なる場所に空間的に分布する初期コロニーがどのように成長し、その後、マイクロコロニー群集に発展するかについて明らかでない。数学的モデリングは、同時に複数の変数を評価して細菌の増殖ダイナミクスを予測でき、バイオフィルム形成プロセスの重要な理論原則を提供してきた。定量的なモデルとして単純な数学的関係を使用して、細胞生理の調節と細菌増殖ダイナミクスの複雑さが評価されている。しかし、細菌のコロニー形成、空間的局在、増殖行動の不均一性のために、より大きなスケールでのバイオフィルム形成パターンの予測はできていない。
私たちは、高解像度タイムラプス共焦点イメージングとマイクロ流体を用いて、単細胞から多細胞群集までのバイオフィルム形成のモニタリングを行い、3Dマッピングアルゴリズムと組み合わせて、集団の成長と拡大の空間的・構造的側面を評価している。ここでは、マルチスケールの集団成長と3Dモルフォメトリック解析を用いて、サブミリメートルスケールのマイクロコロニー群集に向けた数百の細菌のコロニー形成の時空間的な発達を評価する。Streptococcus mutansを用いて、地形表面に関係なく、ショ糖が豊富な条件下で微生物細胞がランダムに表面に定着することを見いだした。しかし、一部の細菌のみがクラスタリング行動を示し、力価則に従った増殖を示すことがわかった。これらコロニー形成細胞は、隣接する細菌をアマルガム化してマイクロコロニーを高密度に形成し、三次元的に拡大している。クラスタリングとマイクロコロニーの形成は、細胞外多糖類に依存しており、集団成長のダイナミクスと空間構造は、協力的または拮抗的な微生物の影響を受けていることがわかった。
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