共生しているクロスキングダムバイオフィルムの相互作用への介入：結合機構に基づく非微生物学的アプローチ

Intervening in Symbiotic Cross-Kingdom Biofilm Interactions: a Binding Mechanism-Based Nonmicrobicidal Approach.

• H E Kim
• A Dhall
• Y Liu
• M Bawazir
• H Koo
• G Hwang

抄録

幼児期のう蝕は、進行性の虫歯を引き起こす深刻な口腔疾患である。特に、真菌（カビ）とう蝕原性細菌（バクテリア）との相乗的な相互作用は、除去しにくい強酸性のバイオフィルムの形成を促進し、病原性の被害を悪化させる。これらの相互作用は、主にグルコシルトランスフェラーゼ（GtfB）が菌の細胞壁上のマンナンに結合することによって媒介されている。 ここでは、マンナンを分解するエキソおよびエンド酵素を用いて、この王国横断的なコンソーシアムにおけるGtfB-マンナン相互作用を標的とする酵素的アプローチを紹介する。これらの酵素は、微生物を殺すことなくバイオフィルムのバイオマスを減少させ、虫歯を助長する酸性のpH環境の生成を緩和するのに非常に有効である。この結果を裏付けるために、1分子原子間力顕微鏡、バイオフィルムのせん断、エナメル質表面のトポグラフィー分析を用いた生物物理学的証拠を提示する。その結果、酵素処理によってGtfBとの結合力が劇的に低下することがわかった（約15倍の減少）。さらに、酵素処理によってバイオフィルムの力学的安定性が損なわれ、歯肉のケラチノサイトに細胞毒性を及ぼすことなく、歯のエナメル質の脱灰が著しく減少した。今回の結果は、病原性細菌・真菌のバイオフィルムに対して、王国間の受容体-リガンド結合相互作用を標的とした新たな非殺生的治療介入に向けた大きな前進といえる。バイオフィルムの形成は、さまざまな感染症の原因となる重要な病原因子である。特に，虫歯の発症には，真菌と細菌の相互作用が重要な役割を果たしていることが知られている。真菌が関与するバイオフィルム関連疾患の治療には、いくつかの抗菌剤が使用されているが、これらは多種類の微生物の相互作用を標的としていないことが多い。さらに、これらの抗菌薬は、生態系の微生物叢を破壊したり、時間の経過とともに薬剤耐性を誘発したりする可能性があるため、予防対策には適していないと考えられます。我々は、表面のマンノプロテインが王国間の相互作用を媒介するという相互作用メカニズムを特異的に利用することで、マンノプロテイン分解酵素が殺生効果やヒト細胞への細胞毒性を伴わずにバイオフィルムの相互作用を効果的に破壊できることを示した。このことは、高価で未解決の口腔疾患に関連する病原性のあるキングダム横断型バイオフィルムに介入するための標的アプローチとしての応用の可能性を示唆している。

Early childhood caries is a severe oral disease that results in aggressive tooth decay. Particularly, a synergistic association between a fungus, , and a cariogenic bacterium, , promotes the development of hard-to-remove and highly acidic biofilms, exacerbating the virulent damage. These interactions are largely mediated via glucosyltransferases (GtfB) binding to mannans on the cell wall of Here, we present an enzymatic approach to target GtfB-mannan interactions in this cross-kingdom consortium using mannan-degrading exo- and endo-enzymes. These exo- and endo-enzymes are highly effective in reducing biofilm biomass without killing microorganisms, as well as alleviating the production of an acidic pH environment conducive to tooth decay. To corroborate these results, we present biophysical evidence using single-molecule atomic force microscopy, biofilm shearing, and enamel surface topography analyses. Data show a drastic decrease in binding forces of GtfB to (∼15-fold reduction) following enzyme treatment. Furthermore, enzymatic activity disrupted biofilm mechanical stability and significantly reduced human tooth enamel demineralization without cytotoxic effects on gingival keratinocytes. Our results represent significant progress toward a novel nonbiocidal therapeutic intervention against pathogenic bacterial-fungal biofilms by targeting the interkingdom receptor-ligand binding interactions. Biofilm formation is a key virulence factor responsible for various infectious diseases. Particularly, interactions between a fungus, , and a bacterium, , have been known to play important roles in the pathogenesis of dental caries. Although some antimicrobials have been applied to treat fungal-involved biofilm-associated diseases, these often lack targeting polymicrobial interactions. Furthermore, these may not be appropriate for preventive measures because these antimicrobials may disrupt ecological microbiota and/or induce the prevalence of drug resistance over time. By specifically targeting the interaction mechanism whereby mannoproteins on the surface mediate the cross-kingdom interaction, we demonstrated that mannoprotein-degrading enzymes can effectively disrupt biofilm interactions without microbiocidal effects or causing cytotoxicity to human cells. This suggests a potential application as a targeted approach for intervening a pathogenic cross-kingdom biofilm associated with a costly and unresolved oral disease.

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