박테리아 생물막의 밀도 및 온도 제어 유체 추출은 폴리에 의해 결정됩니다.

npj Biofilms and Microbiome 8권, 기사 번호: 98(2022) 이 기사 인용

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미생물 생물막의 특징은 상주 세포를 둘러싸는 세포외 분자 기질의 자체 생산입니다. 매트릭스는 환경으로부터 보호를 제공하는 반면, 유전자 발현의 공간적 이질성은 구조적 형태와 콜로니 확산 역학에 영향을 미칩니다. Bacillus subtilis는 생물막 성장 및 발달에 필요한 규제 경로와 주요 구성 요소를 밝히는 데 사용되는 모델 박테리아 시스템입니다. 이 연구에서 우리는 기본 한천 기질에서 액체를 추출함으로써 촉진되는 생물막 형성의 초기 단계에서 매우 활동적인 박테리아 집단의 출현에 대해 보고합니다. 우리는 이 유체 추출의 기원을 폴리γ-글루탐산(PGA) 생산으로 추적합니다. 편모 의존적 활동은 생물막 경계에서 내부로 전파되는 유체의 이동 전면 뒤에서 발생합니다. 체액 증식의 정도는 세포외 다당류(EPS)의 존재에 의해 제어됩니다. 우리는 또한 PGA 생산이 더 높은 온도와 양의 상관관계가 있어 일반적으로 B. subtilis와 관련된 주름진 식민지 생물막 구조와 구별되는 고온 성숙 생물막 형태가 발생한다는 것을 발견했습니다. 이전 보고서에서는 PGA 생산이 길들여지지 않은 분리 NCIB 3610의 생물막 형태에서 주요 역할을 하지 않는다고 제안했지만, 우리의 결과는 이 균주가 환경 조건에 반응하여 뚜렷한 생물막 매트릭스를 생성한다는 것을 시사합니다.

환경에 의해 부과되는 스트레스를 완화하기 위해 박테리아가 사용하는 일반적인 전략은 생물막으로 알려진 정착성 공동체에서 공존하는 것입니다. 단세포 생물에서 다세포 생물로의 전환을 통해 주민들은 자극에 대한 반응을 조정하고 대사 부담을 공유하며 포식자2,3 또는 항균제4,5의 외부 공격으로부터 보호할 수 있습니다. 이러한 행동은 미생물 세계 전반에 걸쳐 널리 퍼져 있으며 생물막 생성, 발달 및 성숙에 대한 명확한 이해는 기본적인 미생물학적 관점뿐만 아니라 많은 산업, 임상 및 생명공학 분야에 미치는 영향 때문에 중요합니다. 예를 들어, 생물막은 많은 만성 감염의 원인으로 작용하며 물리적 특성으로 인해 이를 근절하기가 어렵습니다6,7. 이러한 비타협적 태도는 생물막으로 인해 파이프가 막히거나 부식이 발생하거나 제품이 오염될 수 있는 산업 공정에도 영향을 미칠 수 있습니다8,9,10. 그러나 생물막 형성에는 많은 부정적인 결과가 있지만, 미생물 생물막은 폐수 처리 및 기타 생물학적 정화 과정에서 중요한 역할을 하며11,12,13,14 생물막 형성과 파괴를 이해하는 것이 근본적인 관심 대상입니다.

Bacillus subtilis는 생물막 형성의 유전적 조절과 분자 메커니즘을 조사하기 위한 모델 유기체로 광범위하게 사용되어 온 그람 양성 박테리아입니다15,16. B. subtilis에 의해 생성된 매트릭스의 주요 구성 요소는 원섬유형 단백질 TasA17, 하이드로포빈 유사 단백질 계면활성제 BslA18,19,20 및 EpsA-O 오페론21의 생성물에 의해 합성된 다당류입니다. 이러한 구성 요소의 발현을 제어하는 ​​주요 조절 경로 중 하나는 전사 인자 Spo0A에 의해 조절되며, 중간 수준의 인산화된 Spo0A는 sinI-sinR 오페론의 전사를 활성화합니다. SinR은 EpsA-O 및 tapA-sipW-tasA 프로모터와 상호 작용하여 매트릭스 생산을 제어하는 ​​DNA 결합 전사 인자입니다. SinR이 길항제 단백질(SinI 및 SlrR)에 결합하면 이러한 오페론의 억제가 완화되고 생물막 형성이 진행될 수 있습니다25,26.

이 연구에서 우리는 B. subtilis 콜로니 생물막 형성의 초기 단계에서 발생하는 다중 이동 유체 전선의 관찰에 대해 보고합니다. 창립 세포의 초기 침착 후, 밑에 있는 한천 기질에서 추출된 유체에서 수영하는 운동성이 높은 박테리아 집단이 나타납니다. 우리는 이러한 유체의 이동 전면을 고분자 폴리-γ-글루타민산(PGA)의 생산과 유전적으로 연관시킵니다. 우리는 체액의 유입이 박테리아 밀도와 환경 온도에 따라 달라지며, 체액 침투 정도가 세포외 다당류(EPS)의 생성에 의해 조절된다는 것을 발견했습니다. 더 높은 온도에서 PGA를 생산하고 동시에 유체를 추출하면 성숙한 생물막 형태에 큰 영향을 미치며 이는 B. subtilis NCIB 3610과 관련된 일반적인 구조와 다릅니다. 우리의 결과는 B. subtilis가 대안을 생산할 수 있는 능력이 있음을 시사합니다. 환경 조건에 반응하여 세포외 기질.