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次世代的排水処理法の実現に向けた微生物間コミュニケーション制御技術の構築

Research Project

Project/Area Number 14J00384
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Modeling and technologies for environmental conservation and remediation
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

清川 達則  筑波大学, 生命環境科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2014-04-25 – 2017-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2016)
Budget Amount *help
¥2,900,000 (Direct Cost: ¥2,900,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2014: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywords微生物間コミュニケーション / マイクロフルーディクスチップ / 微生物集団 / Quorum sensing / 活性汚泥
Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では微生物間コミュニケーションを利用した排水処理効率の向上を目指し、ミクロ領域での微生物間コミュニケーションを解析することで微生物の代謝を直接制御する技術の構築を最終的な目的としている。二年目である本年度は「マイクロフルーディクスチップを用いたシグナル伝達の解析系の構築」を目的として研究を行ってきた。
これまでに、マイクロメータースケールのパターン形成技術を習得し、シリコン樹脂にマイクロ流路を作製したマイクロフルーディクスチップを開発した。このマイクロフルーディクスチップを用いることで、レイノルズ数が一定値以下の場合にのみ生じる、2つの溶液が互いに混ざり合うことなく流路中を流れる現象を利用できる。つまり、一つの流路内に二種類の異なる溶液を供給することが可能となる。この現象を応用することで、一つの微生物集団に対して局所的に異なる環境を作り出すことが可能となる。
微生物間のコミュニケーションに用いられているシグナル物質を検出すると蛍光タンパク質を生産するシグナル検出株を作製した。本菌株の微生物集団を上記のマイクロフルーディクスチップ内部に形成させ、その集団の一部にシグナル物質を供給することで、微生物集団内部のシグナル物質の伝播の観察を試みた。まず、微生物集団を流路内部に形成させるために、流路内部をカチオン性の薬剤でコートし、微生物の接着性を高めた。次に、流路内部の顕微鏡観察を行った結果、マイクロ流路内部に形成された微生物集団の一部に対してシグナル物質を供給することに成功し、シグナル物質が供給された微生物集団の一部で蛍光タンパク質の発現が見られ、時間経過にしたがって徐々に蛍光が広がっていく様子が観察された。現在は得られた画像データから、微生物集団内部におけるシグナル伝達の解析を試みている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画では、「マイクロフルーディクスチップを用いたシグナル伝達の解析系の構築」を目的に、異分野の技術であるマイクロフルーディクスチップの作成技術を習得し、応用する計画であった。本年度までに、マイクロフルーディクス技術を用いた動物細胞の解析で既に実績がある、筑波大学数理物質科学研究科鈴木博章教授の研究室でマイクロフルーディクス技術のトレーニングを受け、基礎的な技術を習得した。さらに、マイクロフルーディクスチップを微生物に対して適用するために、流路内部のコーティングや付着性を高めるパターン形成を行うなど実験目的に即した応用も行っている。
技術の習得の他に、自身で作成したマイクロフルーディクスチップを用いて一定の培養条件で長時間の微生物の培養を行い、微生物の定着および微生物集団への成長過程を観察するなど、マイクロフルーディクス技術という異分野の技術を微生物分野に適応することに成功した。それにより、本研究の目的であるシグナル伝達の解析系の構築に必要不可欠な微生物集団中におけるシグナル伝播の可視化にも成功した。しかしながら、シグナル伝達の解析にあたり、データの質・量が不足しているといった問題点もある。現在では既に本問題点を解決するための方策を考案し、実験を行っている。

Strategy for Future Research Activity

本研究のこれまでの成果により、微生物間コミュニケーションの時空間的な可視化系の構築および、マイクロフルーディクスチップを用いた微生物集団中のシグナル化合物の伝達の可視化に成功した。しかしながら、シグナル伝達の速度・距離の解析を行うにはデータの蓄積が足りていない。また、本実験系は単一微生物集団におけるシグナル伝達の可視化に限定的であり、複合微生物系である活性汚泥内部におけるシグナル伝達の解析が行えていないことも現在の課題である。これらの課題はマイクロ流路内部における微生物集団の定着性に再現性がとれないことに問題があると考えている。そこで、まずはマイクロ流路内部に微生物を安定的かつ効率的に定着させる微生物トラップパターンの作製を優先的に進める予定である。これは過去の報告で、動物細胞の細胞の定着に用いられている細胞トラップパターンを参考にし、既に微生物用のトラップパターンの設計までは行っている。
次に、上記で構築される解析技術を用いて、シグナル伝達の速度および伝達可能距離の最適化を行う。シグナル化合物単独または担体に吸着させたシグナル化合物を層流で局所的に供給した場合の挙動を解析し、シグナルの伝達効率を比較する。また、担体自体の微生物集団への吸着性や局在性、保持時間、シグナル化合物の拡散係数を変化させるために、サイズや電荷、疎水性などの物性を変化させた担体による挙動を解析し、伝達効率の検討を行うことで効率的伝達技術を構築する。
上記までで得られた研究成果の学会発表や特許の取得、学術論文への投稿を精力的に行っていく。

Report

(2 results)
  • 2015 Annual Research Report
  • 2014 Annual Research Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2016 2015 2014

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Environmental factors that shape biofilm formation2015

    • Author(s)
      M. Toyofuku, T. Inaba, T. Kiyokawa, N. Obana, Y. Yawata, N. Nomura
    • Journal Title

      Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry

      Volume: 80 Pages: 7-12

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Inhibition of Pseudomonas aeruginosa Swarming Motility by 1-Naphthol and Other Bicyclic Compounds Bearing Hydroxyl Groups2015

    • Author(s)
      Oura H, Tashiro Y, Toyofuku M, Ueda K, Kiyokawa T, Ito S, Takahashi Y, Lee S, Nojiri H, Nakajima-Kambe T, Uchiyama H, Futamata H and Nomura N.
    • Journal Title

      Applied and Environmental Microbiology

      Volume: 81(8) Issue: 8 Pages: 2808-2818

    • DOI

      10.1128/aem.04220-14

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 集団微生物学のすすめ バイオフィルムとその解析技術2014

    • Author(s)
      稲葉知大、清川達則、尾花望、豊福雅典、八幡穣、野村暢彦
    • Journal Title

      化学と生物

      Volume: 52(9) Pages: 594-601

    • NAID

      130005096043

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 嫌気脱窒条件下における緑膿菌のバイオフィルム構造は細胞外DNAによって維持される2016

    • Author(s)
      清川 達則、野村 暢彦
    • Organizer
      第89回日本細菌学会総会
    • Place of Presentation
      大阪府大阪市大阪国際交流センター
    • Year and Date
      2016-03-23
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] The localized expression of the extracellular matrix component Psl, structures Pseudomonas aeruginosa biofilm under denitrifying conditions.2015

    • Author(s)
      Tatsunori Kiyokawa, Masanori Toyofuku, Yutaka Yawata, Nobuhiko Nomura
    • Organizer
      7th ASM Conference on Biofilms
    • Place of Presentation
      Chicago, IL, USA
    • Year and Date
      2015-10-24
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 環境に応じて形を変える微生物集団2015

    • Author(s)
      清川 達則、豊福 雅典、八幡 穣、野村 暢彦
    • Organizer
      第30回微生物生態学会
    • Place of Presentation
      茨城県土浦市土浦亀城プラザ
    • Year and Date
      2015-10-17
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] EPSに制御される嫌気環境下の緑膿菌バイオフィルム2015

    • Author(s)
      清川 達則、豊福 雅典、八幡 穣、野村 暢彦
    • Organizer
      第29回日本バイオフィルム学会学術集会
    • Place of Presentation
      愛知県蒲郡市ホテル竹島
    • Year and Date
      2015-07-10
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] 細胞外多糖によって制御される緑膿菌バイオフィルムの構造変化2015

    • Author(s)
      清川達則、野村暢彦
    • Organizer
      第88回日本細菌学会総会
    • Place of Presentation
      長良川国際会議場 (岐阜県岐阜市)
    • Year and Date
      2015-03-26 – 2015-03-28
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] Localization of the exopolysaccharides in Pseudomonas aeruginosa biofilms under denitrifying conditions2015

    • Author(s)
      Tatsunori Kiyokawa, Masanori Toyofuku, Yutaka Yawata, Nobuhiko Nomura
    • Organizer
      International Symposium on New Frontiers in Microbiology and Biotechnology
    • Place of Presentation
      Jiangnan University, Wuxi, China
    • Year and Date
      2015-01-11 – 2015-01-14
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 微生物の衣替え~生育環境の違いによるバイオフィルムマトリクスの変化~2014

    • Author(s)
      清川達則、豊福雅典、八幡穣、内山裕夫、野村暢彦
    • Organizer
      環境微生物系学会合同大会2014
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松コングレスセンター (静岡県浜松市)
    • Year and Date
      2014-10-21 – 2014-10-24
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 生育環境で構造が変化する緑膿菌バイオフィルムの解析2014

    • Author(s)
      清川達則、豊福雅典、八幡穣、内山裕夫、野村暢彦
    • Organizer
      第66回日本生物工学会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター (北海道札幌市)
    • Year and Date
      2014-09-09 – 2014-09-11
    • Related Report
      2014 Annual Research Report

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Published: 2015-01-22   Modified: 2024-03-26  

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