流体の流れは、公共財を分配することによって腸内細菌叢のバイオフィルム・コミュニティを構造化する

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217577120

Jeremy P. H. Wong https://orcid.org/0000-0001-8731-3795, Michaela Fischer-Stettler, Samuel C. Zeeman https://orcid.org/0000-0002-2791-0915, +1, and Alexandre Persat https://orcid.org/0000-0001-8426-8255 alexandre.persat@epfl.chAuthors Information & Affiliations
編集：Terence Hwa（カリフォルニア大学サンディエゴ校ラホヤ校物理学科）；2022年10月17日受領；2023年5月1日受理。
2023年6月12日
120 (25) e2217577120
https://doi.org/10.1073/pnas.2217577120
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第120巻｜第25号
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意義
腸内細菌叢は、代謝から免疫まで、宿主の健康に重要な役割を果たしている。常在菌が消化管に定着するためには、流れなどの化学的・物理的要因に対して安定性を保つ必要がある。これらの要因がどのように腸内群集の構成と組織を規定しているのかは不明である。微生物群集における流れと社会的相互作用の関連を解明するために、我々は嫌気性マイクロ流体工学を活用した。ヒトの腸内に最も多く存在する常在菌であるバクテロイデス・テタイオタミクロンとバクテロイデス・フラギリスを用いた。これらの細菌がバイオフィルムを形成し、代謝産物の共有を行うことを示した。流体の流れは、栄養分の勾配を形成することによって、この群集の空間的な組織と組成に影響を与える。我々の結果は、物理的要因が微生物叢の構成に劇的な影響を及ぼし、健康に影響を及ぼす可能性があることを示している。
要旨
腸内常在細菌は、生物学的・物理的に複雑な粘膜環境を経験している。多くの化学的要因がこれらの微生物群集の組成と構造を媒介する一方で、力学的要因の役割についてはあまり知られていない。ここでは、流体の流れが、異なる種が代謝的にどのように相互作用するかを形成することによって、腸内バイオフィルム群集の空間的な構成と組成に影響を与えることを示す。まず、代表的なヒト常在菌であるBacteroides thetaiotaomicron（Bt）とBacteroides fragilis（Bf）からなるモデル群集が、流れの中で強固なバイオフィルムを形成できることを示した。我々は、Btは代謝されやすいがBfは代謝しない多糖類としてデキストランを同定したが、その発酵はBfの増殖を可能にする公共財を生成する。シミュレーションと実験を組み合わせることで、流れの中でBtのバイオフィルムがデキストランの代謝副産物を共有し、Bfのバイオフィルム形成を促進することを実証した。この公共財を輸送することで、流れは群集の空間的組織を構造化し、Bf集団をBtの下流に位置づける。我々は、十分に強い流れが、表面における有効な公共財濃度を制限することによって、Bfバイオフィルム形成を消失させることを示す。したがって、流れのような物理的要因は腸内微生物群集の構成に寄与し、宿主の健康に影響を与える可能性がある。
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データ、資料、ソフトウェアの入手
画像のスティッチング、最近傍定量に使用したマクロ、およびBt-Bf-population shiftの定量に使用したMatlabコードは、GitHub https://github.com/PersatLab/Metabolism (62)で公開される。
謝辞
株とプラスミドを提供してくれたJustin Sonnenburg、バクテロイデス培養と遺伝子操作に関するプロトコルを提供してくれたLiz Shepherd、プロテオミクス実験とデータ解析を手伝ってくれたEcole polytechnique fédérale de lausanne（EPFL）のプロテオミクスコア施設のRomain HamelinとFlorence Armand、栄養共有バイオフィルムの初期研究を手伝ってくれたAudrey Bender、画像解析を手伝ってくれたPascal Odermattに感謝する。本研究は、スイス国立科学財団（SNSF）プロジェクト助成金310030_204190、ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラム助成金番号RGY0077/2020、およびEPFL iPhDプログラムの支援を受けた。
著者貢献
J.P.H.W.、T.J.B.およびA.P.が研究を計画し、J.P.H.W.およびM.F.-S.が研究を実施し、S.C.Z.、T.J.B.およびA.P.が新しい試薬／分析ツールを提供し、J.P.H.W.がデータを分析し、J.P.H.W.およびA.P.が論文を執筆した。
競合利益
著者らは競合する利益はないと宣言している。
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