多種口腔内バイオフィルムにおけるストレプトコッカス・ミュータンスの付着力センシング

Streptococcus mutans adhesion force sensing in multi-species oral biofilms.

• Can Wang
• Henny C van der Mei
• Henk J Busscher
• Yijin Ren

抄録

細菌は化学的および機械的なメカニズムを利用して環境を感知し、敵対的な条件を生き抜く。機械的センシングでは、細菌が表面上で経験する付着力によって変形し、層内の圧力分布が変化する。細胞外マトリックス産生などの単種レンサ球菌バイオフィルムにおける創発的な特性は、レンサ球菌が感知する付着力に依存している。ここでは、唾液調整膜（SCF）吸着と口腔内バイオフィルムの多種性が、S. mutansによる接着力感知と関連遺伝子発現に影響を与えるかどうか、またどのように影響するかを明らかにした。本研究では、Streptococcus oralis、Actinomyces naeslundii、およびS. mutansを、吸着したSCFの有無にかかわらず、異なる表面上で一緒に成長させ、その結果、S. mutansは、吸着したSCFの有無にかかわらず、口腔内バイオフィルムに吸着していた。原子間力顕微鏡とRT-qPCRを用いて、S. mutansの付着力と遺伝子発現を測定した。SCFが吸着すると、疎水性表面では吸着力が減少し、親水性表面では吸着力が増加し、8nN程度まで増加した。光コヒーレンストモグラフィーの結果、SCFコーティング表面の3種のバイオフィルムは、死滅したS. oralisの付着は弱く、しばしば連続したシートとして剥離することが確認された。同時に、S. mutansは死んだS. oralisを含む3種バイオフィルムでは、SCFコーティング表面では接着力の感知に差はなかったが、生きたS. oralisが存在すると、S. mutansの接着力感知と遺伝子発現は吸着SCFが存在しない表面と同程度の順位を示した。結論として、生きた S. oralis は SCF の成分を酵素的に分解してバイオフィルムの生息者と表面との直接接触を促進し、S. mutans の適切な適応応答を定義するために下地の表面の付着力感知を可能にしている可能性がある。これは、多種口腔バイオフィルムにおける初期コロニーザーの新たな機能を示すものである。

Bacteria utilize chemical and mechanical mechanisms to sense their environment, to survive hostile conditions. In mechanical sensing, intra-bilayer pressure profiles change due to deformation induced by the adhesion forces bacteria experience on a surface. Emergent properties in mono-species Streptococcus mutans biofilms, such as extracellular matrix production, depend on the adhesion forces that streptococci sense. Here we determined whether and how salivary-conditioning film (SCF) adsorption and the multi-species nature of oral biofilm influence adhesion force sensing and associated gene expression by S. mutans. Hereto, Streptococcus oralis, Actinomyces naeslundii, and S. mutans were grown together on different surfaces in the absence and presence of an adsorbed SCF. Atomic force microscopy and RT-qPCR were used to measure S. mutans adhesion forces and gene expressions. Upon SCF adsorption, stationary adhesion forces decreased on a hydrophobic and increased on a hydrophilic surface to around 8 nN. Optical coherence tomography showed that triple-species biofilms on SCF-coated surfaces with dead S. oralis adhered weakly and often detached as a contiguous sheet. Concurrently, S. mutans displayed no differential adhesion force sensing on SCF-coated surfaces in the triple-species biofilms with dead S. oralis, but once live S. oralis were present S. mutans adhesion force sensing and gene expression ranked similar as on surfaces in the absence of an adsorbed SCF. Concluding, live S. oralis may enzymatically degrade SCF components to facilitate direct contact of biofilm inhabitants with surfaces and allow S. mutans adhesion force sensing of underlying surfaces to define its appropriate adaptive response. This represents a new function of initial colonizers in multi-species oral biofilms.