Development of quantitative analysis method for biofilm using DNA and RNA information, which is applied to evaluation of infection diseases about medical materials.

• Project/Area Number: 17K01442
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Medical engineering assessment
• Research Institution: Suzuka National College of Technology
• Principal Investigator: 小川 亜希子 鈴鹿工業高等専門学校, 生物応用化学科, 准教授 (90455139)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: バイオフィルム / 定量 / 遺伝子発現 / マイクロアレイ / RNA-seq / 遺伝子発現解析 / 大腸菌 / 表皮ブドウ球菌 / RNA / 微生物 / 医療機器

Outline of Annual Research Achievements

２　０１９年度までに、大腸菌を対象として浮遊状態の細胞とバイオフィルム形成状態の細胞からRNAを抽出し、マイクロアレイを用いて遺伝子発現状態のデータを取得した。２０２１年度は、得られたマイクロアレイデータを元に解析を行い、浮遊状態とバイオフィルム状態間での遺伝子発現を比較した。しかしながら、実施したマイクロアレイでは（１）シグナル検出に必要なラベル標識化において、浮遊状態とバイオフィルム状態間で標識化効率が異なっており、両者間の真の発現状態を反映していない可能性、（２）実験条件ごとの試験数が少なく統計的な比較が困難である、問題点が挙げられた。
そのため２０２２年度は、これらの問題点を解決すべくRNA-seqを利用した遺伝子発現解析を計画した。まず、RNA-seqに必要なRNA調製のために浮遊状態の大腸菌ならびにバイオフィルム形成状態の大腸菌からRNA抽出を複数回実施した。しかしながらRNA-seq解析に必要なRNA量を得ることができなかった。
したがって２０２３年度は、引き続きRNA-seq解析に必要な高品質RNAの調製を行い、目的とする遺伝子発現解析を実行する。その後、得られた遺伝子発現情報についてマイクロアレイ解析による遺伝子発現情報結果と比較しつつ、バイオフィルム定量に利用可能な遺伝子群の候補を特定する。続いて、それらの遺伝子発現についてバイオフィルム形成過程との関連性を定量PCRで調査し、バイオフィルム定量系を構築していく。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

RNA-seq解析に必要となる品質をもった十分量のRNAが得られなかったため、RNA-seq解析が実施できなかった。これには、研究実施者自身の家庭的な事情とコロナウイルス感染に伴う実験実施期間の縮小が大きく影響していた。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は（１）RNA回収量を増やすとともに、（２）RNA-seq解析の実施条件を下げて（サンプル数を減らして）、統計学的な比較検討はせず、（３）目的遺伝子の候補を絞ってバイオフィルム定量に結びつけていく。

Research Products

• [Journal Article] Marine Biofilm Model Comprising a Loop-Type Biofilm Reactor and a Halomonas Strain HIG FST4 1, an Active Biofilm-Forming Bacterium (2022)
  • Author(s): Ogawa, Akiko Hosaka, Shoya Kanematsu, Hideyuki Yoshitake, Michiko
  • Journal Title: Coatings Volume: 12 Issue: 10 Pages: 1605-1614
  • DOI: 10.3390/coatings12101605
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Biofilm Formation Plays a Crucial Rule in the Initial Step of Carbon Steel Corrosion in Air and Water Environments (2020)
  • Author(s): Akiko Ogawa, Keito Takakura, Nobumitsu Hirai, Hideyuki Kanematsu, Daisuke Kuroda, Takeshi Kogo, Katsuhiko Sano, Satoshi Terada
  • Journal Title: Materials Volume: 13 Issue: 4 Pages: 923-945
  • DOI: 10.3390/ma13040923
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In-situ detection based on the biofilm hydrophilicity for environmental biofilm formation (2019)
  • Author(s): Tanaka, Nobuyuki Kogo, Takeshi Hirai, Nobumitsu Ogawa, Akiko Kanematsu, Hideyuki Takahara, Junko Awazu, Akane Fujita, Nobuko Haruzono, Yoshihide Ichida, Shunji Tanaka, Yo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 8070-8081
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44167-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation for Immunity of Biomaterials Based on Raman Spectroscopy (2018)
  • Author(s): Hideyuki Kanematsu, Yuta Sakagami, Dana M. Barry, Michiko Yoshitake, Akiko Ogawa, Nobumitsu Hirai, Takeshi Kogo, Daisuke Kuroda, Yoshimitsu Mizunoe
  • Journal Title: Proceedings of Materials Science and Technology 2018 (MS&T18), Columbus, Ohio, the USA Volume: MS&T18 Pages: 1482-1489
  • DOI: 10.7449/2018mst/2018/mst_2018_1482_1489
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biofilm Formation of a Polymer Brush Coating with Ionic Liquids Compared to a Polymer Brush Coating with a Non-Ionic Liquid (2018)
  • Author(s): Kanematsu Hideyuki、Oizumi Atsuya、Sato Takaya、Kamijo Toshio、Honma Saika、Barry Dana、Hirai Nobumitsu、Ogawa Akiko、Kogo Takeshi、Kuroda Daisuke、Sano Katsuhiko、Tsunashima Katsuhiko、Lee Seung-Hyo、Lee Myeong-Hoon
  • Journal Title: Coatings Volume: 8 Issue: 11 Pages: 398-398
  • DOI: 10.3390/coatings8110398
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The issue with using DNA profiling as a sole method for investigating the role of marine biofilms in corrosion of metallic materials (2018)
  • Author(s): Makama, Zakari, Celikkol, Sukriye, Ogawa, Akiko, Gaylarde, Christine,, Beech, Iwona
  • Journal Title: International Biodeterioration & Biodegradation Volume: 135 Pages: 33-38
  • DOI: 10.1016/j.ibiod.2018.09.007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microbiome Analysis of Biofilms of Silver Nanoparticle-Dispersed Silane-Based Coated Carbon Steel Using a Next-Generation Sequencing Technique (2018)
  • Author(s): Akiko Ogawa, Keito Takakura, Katsuhiko Sano, Hideyuki Kanematsu, Takehiko Yamano, Toshikazu Saishin, Satoshi Terada
  • Journal Title: antibiotics (MPDI) Volume: 7 Issue: 4 Pages: 91-100
  • DOI: 10.3390/antibiotics7040091
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electrochemical Responses of Graphene with Biofilm Formation on Various Metallic Substrates by Using Laboratory Biofilm Reactors (2018)
  • Author(s): Hideyuki Kanematsu, Kodai Shindo, Dana M. Barry, Nobumitsu Hirai, Akiko Ogawa, Daisuke Kuroda, Takeshi Kogo, Katsuhiko Sano, Hajime Ikegai and Yoshimitsu Mizunoe
  • Journal Title: ECS Transactions Volume: 85 Issue: 13 Pages: 491-498
  • DOI: 10.1149/08513.0491ecst
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polymer Brush Made by Ionic Liquids and the Inhibition Effects for Biofilm Formation (2018)
  • Author(s): Hideyuki Kanematsu, Atsuya Oizumi, Takaya Sato, Toshio Kamijo, Saika Honma, Dana M. Barry, Nobumitsu Hirai, Akiko Ogawa, Takeshi Kogo, Daisuke Kuroda, and Katsuhiko Tsunashima
  • Journal Title: ECS Transactions Volume: 85 Issue: 13 Pages: 1089-1095
  • DOI: 10.1149/08513.1089ecst
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of Sulfur Content on Microbial Composition and Biodegradation of a Brazilian Diesel and Biodiesel Blend (B10) (2017)
  • Author(s): de Azambuja, Aline O., Cazarolli, Juciana C., de Quadros, Patricia D., Bucker, Francielle, Correa, Camila, Casagranda, Juliano C., Ferrao, Marco F., Celikkol, Sukriye, Ogawa, Akiko, Bonifay, Vincent, Sunner, Jan A., Beech, Iwona B., Bento, Fatima M.
  • Journal Title: Energy & Fuels Volume: 31 Issue: 11 Pages: 12305-12316
  • DOI: 10.1021/acs.energyfuels.7b02287
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 微生物が関わる金属腐食 (2017)
  • Author(s): 小川亜希子
  • Journal Title: 生物工学会誌 Volume: 95 Pages: 608-611
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microbiomes of Biofilms on Decorative Siliceous Stone: Drawbacks and Advantages of Next Generation Sequencing (2017)
  • Author(s): Akiko Ogawa, Sukriye Celikkol-Aydin, Christine Gaylarde, Jose Antonio, Baptista-Neto, Iwona Beech
  • Journal Title: Current Micobiology Volume: 74 Issue: 7 Pages: 848-853
  • DOI: 10.1007/s00284-017-1257-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microbial communities on painted wet and dry external surfaces of a historic fortress in Niteroi, Brazil (2017)
  • Author(s): Ogawa, Akiko, Celikkol-Aydin, Sukriye, Gaylarde, Christine, Baptista-Neto, Jose Antonio, Beech, Iwona
  • Journal Title: International Biodeterioration & Biodegradation Volume: 123 Pages: 164-173
  • DOI: 10.1016/j.ibiod.2017.06.018
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Applying the zinc nanoparticles and copper suboxide nanoparticles for siloxane-based coated aluminium plates to inhibit biofilm formation under a seawater condition (2021)
  • Author(s): Akiko Ogawa, Katsuhiko Sano, Masaki Iino, Hideyuki Kanematsu
  • Organizer: INTERFINISH2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 製鋼スラグの組成とバイオフィルムを形成する細菌叢との関連 (2019)
  • Author(s): 小川亜希子、田中礼士、鈴木賢紀、平井信充
  • Organizer: 日本鉄鋼協会秋季大会シンポジウム
• [Presentation] Staphylococcus epidermidis biofilm formation in radio frequency alternating electromagnetic field (2019)
  • Author(s): H.Miura, K.Yokoi, H. Kanematsu, N.Hirai, T.Kogo, A.Ogawa, D.Kuroda, N.Wada, K.Sano
  • Organizer: MRS-J 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] バイオフィルム形成に対するシランコーティングの影響 (2019)
  • Author(s): 田堀 朱音、佐野 勝彦、小川 亜希子、矢野 真弓、廣部 崚馬、寺田 聡
  • Organizer: 第２１回化学工学会学生発表会東京大会
• [Presentation] 細菌叢または遺伝子発現情報からバイオフィルムを解析する (2019)
  • Author(s): 小川亜希子
  • Organizer: 第5回SUMS-NITS医工連携研究会
  • Invited
• [Presentation] Application of Silane-Based Coating to Biomaterials for Inhibiting Biofilm Induced Infection (2018)
  • Author(s): Akiko Ogawa, Akane Tahori, Mayumi Yano, Ryouma Hirobe, Satoshi Terada, Daisuke Kuroda, Katsuhiko Sano, Hideyuki Kanematsu
  • Organizer: The 31rd Annual and international meeting of the Japanese association of animal cell technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ポリマーブラシ コーティングとそのバイオフィルム形成挙動 (2018)
  • Author(s): 大泉敦也、兼松秀行、佐藤貴哉、上条利夫、本田彩夏、平井信充、小川亜希子、幸後健、黒田大介、佐野勝彦、綱島克彦、Dana Barry
  • Organizer: 第28回 日本MRS年次大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 異なる構造を持つシラン系樹脂へのバイオフィルム付着性 (2018)
  • Author(s): 佐野勝彦、兼松秀行、平井信充、黒田大介、小川亜希子、幸後健
  • Organizer: 第28回 日本MRS年次大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ５種類の細菌とそれが作るバイオフィルム形成の差異について (2018)
  • Author(s): 兼松秀行、小川亜希子、平井信充、幸後健、黒田大介、佐野勝彦、Dana Barry
  • Organizer: 第28回 日本MRS年次大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 定量PCRを利用した バイオフィルム定量系の構築 (2017)
  • Author(s): 宮本康太郎、小川亜希子
  • Organizer: 新領域創成研究会2017 おおさか
• [Presentation] 生体材料のバイオフィルム感染症とコーティング剤によるその抑制 (2017)
  • Author(s): 小川亜希子、矢野真弓、佐野勝彦、兼松秀行
  • Organizer: 化学工学会第４９回秋季大会
  • Invited
• [Presentation] LBRによる材料上でのバイオフィルム作製と解析 (2017)
  • Author(s): 宇佐美将誉、小川亜希子
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第174回秋季大会
• [Presentation] 大腸菌のバイオフィルム形成と遺伝子発現との関連 (2017)
  • Author(s): 宇佐美将誉、小川亜希子
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第174回秋季大会「鉄鋼スラグ等各種材料上へのバイオフィルム形成挙動の評価・分析とその有効利用」
• [Presentation] 表皮ブドウ球菌を用いた遺伝子発現情報利用によるバイオフィルム定量系の構築 (2017)
  • Author(s): 宮本康太郎、小川亜希子
  • Organizer: 異分野融合シンポジウム 微生物を基軸とした環境と電気と金属
  • Invited
• [Presentation] Atmospheric Corrosion of Various Spray Coated Specimens and Biofilms (2017)
  • Author(s): H. Kanematsu, A. Ogawa, T. Kogo, D. Kuroda, N. Hirai
  • Organizer: Annual Meeting of Japan Thermal Spray Society. 2017
  • Int'l Joint Research