微生物群集とバイオフィルム

自然界において、微生物が単独で生息することは稀であり、それらは構造化された群集や表面に付着したバイオフィルムを形成します。これらの集合的な特性は、個々の自由生活細胞の特性とは著しく異なります。

Definition

微生物群集とは、環境を共有する相互作用する微生物の集合体であり、バイオフィルムとは、表面に付着し、自己生成された細胞外マトリックスに埋め込まれた細胞の構造化された群集です。

Scope

このトピックでは、競争、協力、代謝交換を含む微生物群集を構造化する相互作用、バイオフィルムの形成、構造、ライフサイクル、細胞外マトリックスとバイオフィルム細胞の生理学的変化、クオラムセンシングと協調行動、そして群集および表面上での生活の生態学的および実用的な影響について扱います。

Core questions

• 微生物間の相互作用はどのように群集を構造化するのか？
• バイオフィルムはどのように形成され、発展するのか？
• バイオフィルム細胞はなぜ自由生活細胞と異なる挙動を示すのか？
• 微生物はどのように集団行動を調整するのか？

Key concepts

• 群集相互作用と代謝交換
• バイオフィルムの形成と構造
• 細胞外高分子マトリックス
• クオラムセンシング
• バイオフィルム細胞の生理学的変化

Key theories

バイオフィルム成長様式

Costertonらは、表面に付着し、マトリックスに包まれたバイオフィルムは、微生物の主要かつ明確な生活様式であり、その中で細胞は自由生活細胞と比較して生理学的変化と耐性の増加を示すと主張しました。

Mechanisms

群集内の微生物は、資源をめぐる競争、代謝産物の協力的な交換、および化学的シグナル伝達を介して相互作用します。バイオフィルムの形成は、表面への付着から始まり、その後の増殖、細胞を結合させる細胞外マトリックスの産生、そして構造化された群集への成熟へと進みます。バイオフィルム内の細胞は、しばしば遺伝子発現の変化とストレスに対する高い耐性を示します。クオラムセンシングなどの協調行動により、個体群は密度に応じて集合的に反応することができます。

Clinical relevance

バイオフィルムは、天然の表面、産業システム、医療機器に形成され、その抗菌剤や宿主防御に対する耐性は、持続的な汚染や慢性感染症の一因となります。このため、群集およびバイオフィルム生物学は、環境、産業、および健康関連の文脈において重要です。

History

自然環境および臨床環境におけるほとんどの微生物が、浮遊細胞としてではなく、表面に付着したバイオフィルムとして生息しているという認識は、20世紀後半を通じて高まりました。1999年のCostertonらによるレビューでは、バイオフィルムが持続性感染症の一般的な原因であり、微生物の明確な生活様式であることが強調されました。

Key figures

• J. William Costerton
• E. Peter Greenberg

Seminal works

• costerton1999
• madigan2018

Frequently asked questions

バイオフィルムは浮遊細菌よりも除去が難しいのはなぜですか？

バイオフィルム内の細胞は細胞外マトリックスによって保護されており、しばしば生理学的変化を示すため、同じ細胞が自由に増殖している場合と比較して、抗菌剤や宿主防御に対する耐性が高まります。これが、バイオフィルムが持続的な汚染や感染症と関連している理由です。