バイオフィルムの仕組み

最初は、歯垢、シャワーの排水溝のしつこい粘液、水に沈んだ滑りやすい石にどのような共通点があるのか​​、それらを除去するのに頭痛や歯痛を引き起こす可能性があるという事実以外に、どのような共通点があるのか​​は明らかではありません。肉眼では、これらの線状の表面の原因を確認することはほぼ不可能です。

顕微鏡を使って詳しく観察すると、このぬるぬるした凝集体が決して鈍いものではないことがわかります。それぞれのバイオフィルムは、厚い接着性マトリックスで結合された多様な生きた微生物の小さなコミュニティで構成されています。便器に溜まった汚れが、生きて通信する細胞の複雑な塊であると誰が予想したでしょうか。

細菌の発見者であるアントニ・ファン・レーウェンフックは、17 世紀に自分の歯垢を研究したときに同様の形成について説明しましたが、科学者がその構造がどのように発達するかを詳しく調べるために必要なツールを手に入れたのは 20 世紀になってからでした。 。

バイオフィルムとも呼ばれるこれらのコロニーは、単一の微生物が水和した表面に付着し、「ライフスタイルの切り替え」を受け、単一の細胞としての生命を放棄し、接着性の細胞マトリックスの表面で他の微生物とともに生きるために形成されます。一部の定義では、バイオフィルム細胞は表面に「不可逆的に付着」すると述べており、これは穏やかなすすぎでは除去できないことを意味します 。

しかし、なぜバイオフィルムに注意を払う必要があるのでしょうか?

まず、それらは生物と非生物（人間を含む）の両方の表面に付着し、医療分野で問題を引き起こし、工業生産慣行を変え、さらには環境浄化に貢献する可能性があります。さらに、一部の研究者は、バイオフィルムが世界のバイオマスの半分以上を構成していると推定しています 。バイオフィルムは非常に豊富に存在するため、私たちが気づかないのは驚くべきことです。

バイオフィルムの形成

バイオフィルムの構成要素は微生物、または肉眼では見えないほど小さい生物です。さまざまな種類の細菌、原生動物、藻類、酵母、真菌がバイオフィルムを形成することがあります。ほとんどのバイオフィルムの厚さは数ミクロンから数百ミクロン（1ミクロンは1メートルの100万分の1）であるため、科学者がバイオフィルムの研究に顕微鏡を使用することを好むのも不思議ではありません。

では、バイオフィルムの発達に必要な成分は何でしょうか?

一般に必要なのは、水またはその他の水溶液に浸された水和した表面、微生物、および好ましい条件だけです。ただし、すべてのバイオフィルムが同じ速度で成長するわけではなく、生存するために同様の条件を必要とすることさえありません。微生物細胞の種類が異なれば、必要なニーズも異なります。それでも、種に関係なく、バイオフィルムの付着と成長に影響を与える可能性のある要因としては、次のようなものがあります。

結局のところ、微生物はバイオフィルムの形成中に必ずしも「考えている」わけではないことを理解することが重要です。それは条件が良い場合にのみ起こります。水流によって微生物が押し出されたり、微生物が偶然表面にぶつかったりした場合、最初に微生物が付着する場合と付着しない場合、またはまったく付着しない場合があります。

細胞が表面に付着する原因は不明であり、一部の研究者は、せん断速度、静電力、調整層（すでに表面にある破片）、微生物が利用できる栄養素などの要因の組み合わせが、単一の要因よりも影響力が大きいと述べています。因子 。

微生物は環境に翻弄されることが多い中、細菌のような小さなものがどのようにして表面に張り付いて新たな住処に定着できるのかは信じられないほどです。

バイオフィルムの定着と発達

微生物の定着とバイオフィルムの発生

自由に動く微生物から動かない微生物への変化は、バイオフィルムと試験管内で増殖する細胞を区別します。しかし、微生物はどうやって表面に長期間付着できるのでしょうか?

遺伝子制御

まず、浮遊細胞がバイオフィルムを形成し始めるか、既存のバイオフィルムの一部になると、新しいライフスタイルに適応するために、さまざまな遺伝子を使用してタンパク質やその他の物質を生成することを知っておく必要があります。

遺伝子の「オフ」と「オン」を切り替えると、細胞の動作が変化します。たとえば、一部の遺伝子は微生物が独立して移動できるかどうかを制御する一方、他の遺伝子は条件が厳しい場合に細胞に休眠するよう命令することができます。人間の遺伝子も同じことができます。たとえば、ラクターゼ（乳児が乳を消化できるようにする酵素）の生成を担う遺伝子は、離乳後に「オフ」になり、乳糖不耐症として現れることがあります。

コロニーを守る

種に関係なく、すべてのバイオフィルムには細胞外ポリマー物質 (EPS) が含まれています 。 EPS は、バイオフィルム コミュニティの細胞から放出される糖、タンパク質、その他の遺伝物質からなる粘着性の細胞外 (細胞の外側) マトリックスの一部であると考えてください。 EPS は、バイオフィルムの細胞を保持するのに役立つだけでなく、コロニーの保護にも重要な役割を果たします。 EPS は通常、バイオフィルムの質量の大部分を占めます 。

表面に付着した後、細胞は EPS を含む粘着性のバイオフィルム マトリックスを生成して、よりよく根付き、他の細胞がコロニーに参加しやすくします。他の細胞が細胞外マトリックスにくっついて留まることを決定すると、それらも接着マトリックスを生成します。

共同生活

バイオフィルム内の微生物は、いつの間にか、顕微鏡で見ると粘着性の塔に似た精巧な 3 次元バイオフィルム構造を作成しています。

いくつかのバイオフィルムには数個の細胞しか含まれていませんが、他のバイオフィルムには数百万、場合によっては数十億の細胞が単一のバイオフィルムマトリックスに絡み合っていることがあります。しかし、後で述べるように、バイオフィルムの成長は、主に細胞間の競争や環境要因によって、時々遅くなったり、止まったりすることがあります。

興味深いことに、集団生活により、細胞がクオラム センシングを通じて互いに信号を送信しやすくなります。この活動は、細胞が隣接する細胞や周囲の環境に関する情報を伝達するのに役立ちます。

クオラム センシングは細胞の挙動に変化を引き起こすことが知られており、細胞がバイオフィルムから剥離する理由についての洞察が得られる可能性があります。しかし、科学者たちはこれらの信号の意味をまだ完全には理解していません。

バイオフィルムの相互作用: バイオフィルム内の生命

ある意味、バイオフィルムは都市のようなものです。都市生活者と同様に、微生物は孤独な生活をやめて集団で生活します 。バイオフィルム内の細胞がどのように相互作用するかを理解するために、バイオフィルムを「微生物の都市」として説明するワトニックとコルターのアナロジーを使用します。

ホームスイートホーム

前に説明したように、微生物は表面に定着してバイオフィルムの基礎を築きます。一部の細胞は定住する前に、適切な滞在場所を見つけるまで鞭毛やその他の移動構造を使って移動します。これは、都市の新住民が家を選ぶ前にさまざまな近隣地域を訪問するのと同じです。

引っ越し後、新しい居住者は、混雑した家の中でより多くの人々のためのスペースを作るために、新しい家に部屋を追加することがあります。比較すると、バイオフィルム内の細胞は、外部からの新しい細胞やコミュニティ内で作成された他の細胞を含む細胞外ポリマー物質 (EPS) を生成します。

信号と境界

基本的なレベルでは、都市とバイオフィルムはどちらも住民を外部の力から保護します。バイオフィルム細菌の場合、これらの力は抗生物質による治療や人間の免疫系にさえ影響する可能性があります 。科学者たちは、バイオフィルムの全体的な厚さと密度がある程度の保護を提供すると考えています 。

また、近所に住んでいれば近所の人たちとのコミュニケーションも取りやすくなります。同じ原理が、細胞が効果的に信号を送信できるほど十分に近づいたクオラム センシング中のバイオフィルム内の細胞にも当てはまります。研究者らは、バイオフィルムがクオラム センシングを使用して、異なるバイオフィルム コロニー間の境界を確立する可能性があると仮説を立てています 。バイオフィルム内に住むことで、細胞は遺伝子の水平伝達の主なメカニズムである結合を容易にします。

弾性

覚えておくべきもう 1 つの重要な概念は、バイオフィルムの構造が柔軟であるということです。ほとんどの科学者は、バイオフィルムを説明するために粘弾性という用語を使用します。これは、液体の流れがコロニーを引っ張ったり押したりするときに、バイオフィルムがパテのように伸びる可能性があることを意味します 。これらのせん断力、つまり液体の流量によってバイオフィルム コロニーが形成され、凝集塊が剥がれたり転がったりすることがあります。

分遣隊

この都市に新しく来た人たちが混雑した地域での生活に飽きたらどうなるでしょうか?彼らはどこか別の場所に移動するかもしれません。バイオフィルム内の細胞も同様に、コロニーから剥離し、可動性を取り戻し、浮遊微生物として生命を維持することができます。セルや EPS の他の層の下に埋め込まれたセルの取り外しは、より困難な作業となる可能性があります。

剥離後、微生物は新しいバイオフィルムを形成し始めたり、確立された別の細胞コミュニティに参加したりすることがあります。剥離の原因は不明ですが、科学者らは、種の種類、環境圧力、バイオフィルム内の競争がすべて役割を果たしていると述べています。人間や他の動物と同じように、微生物も状況が厳しくなると、生き残るために他の場所に移動することがよくあります。

バイオフィルムと医学的問題

バイオフィルムと医学的問題

なぜ歯医者で歯のクリーニングが必要なのか疑問に思ったことはありますか?もう自分で歯を磨きますよね？

微生物バイオフィルム

残念ながら、歯を磨いたりデンタルフロスをしたりすると歯垢や歯にあるバイオフィルムの一部は除去されますが、すべてを除去することはできません。歯垢が届きにくい部分に蓄積すると硬くなり、虫歯や歯周炎（歯肉感染症）を引き起こす可能性があります。

口の外では、バイオフィルムに関連した健康上の問題は、あなたが思っているよりも一般的です。ヒトの微生物感染症の最大 80% はバイオフィルム関連感染症です 。バイオフィルムは微生物のコミュニティを強化します。これは微生物にとっては良いニュースですが、バイオフィルム感染と闘っている人にとってはあまり良いニュースではありません。

細菌バイオフィルム

バイオフィルム構造は、抗菌剤耐性 (AMR) を促進する可能性があります。細菌種である表皮ブドウ球菌などの一部の微生物は「バイオフィルム耐性」を示します。これは、表皮ブドウ球菌がバイオフィルムを形成している場合、細菌細胞が単離された浮遊細胞である場合よりも抗菌化合物の効果が低いことを意味します。残念ながら、抗生物質の検査は、細菌のバイオフィルムではなく、浮遊性細菌を使用して行われることがよくあります 。

バイオフィルム関連の感染症は、一般的な耳痛から嚢胞性線維症と呼ばれる遺伝性疾患を持つ人に見られる特定の細菌感染症に至るまで、健康上の問題を引き起こす可能性があります。

バイオフィルムは、次のような埋め込み型医療機器を装着している患者にとって特に懸念される領域です。

病院環境では、訪問者、病院スタッフ、または患者自身から医療機器に微生物が移ると、患者の体内に微生物が侵入する可能性があるため、衛生状態が重要です。たとえば、ブドウ球菌感染症は、連鎖球菌を含む感染性バイオフィルムによって引き起こされる可能性があります。黄色ブドウ球菌のバイオフィルムは、細菌が残留することで有名です。

危険なバイオフィルムの除去

細菌バイオフィルムを除去することは、特にブドウ球菌が含まれている場合、インプラント患者にとって困難な場合がありますが、いくつかの選択肢があります。インプラントを除去するとうまくいく場合もありますが、必ずしも生組織への細菌の付着を防ぐことができるわけではありません 。

他の技術には、患者の体内に埋入する前にインプラントの表面にさらに大量の抗菌薬を塗布することや、抗菌特性を持つ銀で裏打ちされたインプラントを実験することなどが含まれます。

残念ながら、長期的に見て、医療用バイオフィルムに対する普遍的な治療法はありません。バイオフィルムの形成を最初から防ぐことが最も有望な戦略です。患者は、バイオフィルム感染に対する可能な治療法について常に医師に相談する必要があります。

バイオフィルムによる環境へのダメージ

常在微生物は、私たちの歯や体内を含む多くの表面に適応して生息できますが、バイオフィルムの大部分は自然界に存在します。たとえば、浅い水域の岩の上にバイオフィルムの存在が感じられ、横断する際に滑りやすい表面が形成されていると感じることがあります。研究室で研究されたバイオフィルムとは異なり、これらの凝集は自然に発生し、より大きな生態系の一部です。

今日、私たちが環境に与える影響は、生態系に不均衡をもたらすことがよくあります。たとえば、廃棄物の流出により、その地域の特定の栄養素のレベルが通常より高くなる可能性があります。一部の微生物にとって、これはより多くの食物を食べることを意味し、その結果、微生物の数が制御不能に増加する可能性があります。

一部の微生物は栄養素を分解するために酸素を必要とし、過剰な栄養素を分解するために通常より多くの酸素を使用します。このように生態系から酸素が除去されると、同じ生息地を共有する他の生物に問題が発生し、場合によってはデッドゾーンが発生することがあります。

制御不能なほど増殖する栄養素が与えられると、浮遊微生物と定住バイオフィルムの両方が繁殖してその地域の酸素をすべて使い果たし、他の微生物や動物にとって生息しにくい、または不可能な環境を作り出す可能性があります。

バイオフィルムと産業

産業環境では、バイオフィルムは無視できない力です。ほとんどの生産施設では、機器の冷却に水を使用したり、資源の輸送にパイプに依存したりしているため、これらの機器や配管システムにバイオフィルムが発生する大きなリスクがあります。

ある推定によると、バイオフィルムは産業現場で毎年優に10億ドルを超える損害を引き起こし、人間の健康や企業の製品の効率的な製造能力に影響を与えている。製紙施設は、紙の製造には大量の水を必要とし、微生物の増殖に暖かく栄養価の高い環境を提供するため、特にバイオフィルム問題のリスクにさらされています 。

バイオフィルムは飲料水の品質にも悪影響を与える可能性があります。廃水は処理された後、きれいなパイプを通って蛇口まで運ばれます。しかし、場合によっては、バイオフィルムがこのプロセスの邪魔になる可能性があります。水処理施設の科学者らは、きれいな水を運ぶパイプ内に依然としてバイオフィルムが形成されており、それが水を再汚染していることを発見した。

この問題を研究した結果、処理されたきれいな飲料水には有機炭素が含まれており、バクテリアにとっておいしい餌となることが分かりました。幸いなことに、処理水から有機炭素を除去すると、浄水パイプ内でのこれらの細菌バイオフィルムの形成が制限され、水が蛇口まで安全に送られるようになります 。

バイオフィルムと外来種

研究者らは、船がバランスを取るために船首に蓄えるバラスト水にも生物膜が存在することを発見した。貝類から細菌に至るまでの生物をバラストタンクで輸送できます。しかし、船舶がある港でバラスト水を集め、別の港で放出すると、事態は厄介になります。

新しい環境でバラスト水を空にすると、これらの外来生物は有利になり、食物や資源をめぐって在来種と競争できるようになります。他の水没表面と同様に、これらのタンクの内側にもバイオフィルムが定着する可能性があります。バラストタンクに入ると、バイオフィルムの微生物はコロニーから剥がれるか、新しい環境に掻き落とされる可能性があります。

研究者らは、これらのバイオフィルムやバラスト水中の侵入微生物は、特定の病原体や病気の原因となる微生物を広める可能性があるため、他の侵入微生物と同様に慎重に扱う必要があると主張している。

バイオフィルムの利点

条件が適切であれば、微生物は環境の不均衡を引き起こす可能性があります。皮肉なことに、だからこそ微生物も有益になるのです。たとえば、処理水中の炭素を分解する同じ栄養に飢えたバクテリアも、状況が生じたときに過剰な炭素を食べることで地域のバランスを回復できることがわかっています。

油流出からの復旧

石油が偶然自然界に巻き上げられた場合（石油流出に見られるように）、微生物はゆっくりと油粒子を分解します。油は主に炭素でできており、小さな油の分子を分解して食物にするさまざまな細菌が存在します。したがって、バイオフィルムは環境の混乱を浄化するのに役立つ可能性があります。

このようにバイオフィルムを使用することは、微生物の助けを借りて環境を変化した状態から自然な状態に戻すバイオレメディエーションの一例です。石油を収集し、ある種のバイオフィルムフィルターに通すことは、現在、石油流出を浄化する一般的な方法ではありませんが、将来的には興味深い選択肢になるかもしれません。

責任ある採掘

バイオフィルムは鉱業でもその役割を果たしています。採掘現場では、貴重な鉱石が通常の岩石から分離されることがよくあります。しかし、水と酸素が存在する場合、特定の種類の残りの砕石は放っておくと硫酸溶液を生成する可能性があります。

一旦反応が起こると、この酸やその他の流出物を浄化するのは難しく、近くの水源を汚染する可能性があります。しかし、方程式の一部を取り除けば、岩石材料は酸性になることがなくなり、別の方法で処理することができます。酸素を必要とするバイオフィルムを形成するバクテリアをこれらの岩石の上に配置すると、その要素がその表面から剥がされ、酸の流出が形成されなくなることが判明しました 。

廃水処理

バイオレメディエーションに加えて、バイオフィルムは廃水を処理するためのバイオフィルム散水フィルターにも使用できます 。このプロセスでは、岩やプラスチック片の上でバイオフィルムが成長し、ゆっくりと流れてくる水から老廃物を取り除きます。

小規模であれば、このプロセスは十分効率的ですが、ほとんどの地方自治体の水処理センターでは、廃水の処理に依然として大量のバクテリアに依存しています。

フレンドリーなフローラ

バイオフィルムは自然界の他の生物にも利益をもたらします。地下では、微生物は植物の根圏、つまり根と土壌の間の領域の周りにバイオフィルムを形成します。この共生関係における化学的相互作用により、両者は他の方法では入手できない栄養素にアクセスできるようになります。植物の根でのバイオフィルムの形成は、バイオフィルムが生態学的に重要である理由を示す多くの例のうちの 1 つです。

黒死病、ダニ、そしてバイオフィルム?

14 世紀に数百万人の死者を出した腺ペストの本当の原因がどの微生物であるかを判断するのは困難です。マダニはこの病気をネズミから人間に広める原因となっていましたが、研究者らは細菌そのもの、つまりペスト菌と呼ばれる種を詳しく調べています。

最新の研究では、これらの細菌がマダニの食道構造と胃の間の領域にバイオフィルムを形成し、食物の摂取を妨げ、動物を飢えさせることが示されています。では、細菌を媒介するダニが餓死したとしても、なぜペストが蔓延したのでしょうか?マダニは常に空腹だったので、より頻繁に餌を食べようとしましたが、残念なことに人間はその試みの被害に遭っていました。