抗バイオフィルム活性を持つ細菌の莢膜多糖類は、共通の生物物理学的特性と界面動電学的特性を共有しています

Jul 17, 2023

Nature Communications volume 14、記事番号: 2553 (2023) この記事を引用

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細菌バイオフィルムは表面に付着したコミュニティであり、抗菌剤に対する耐性が高いため根絶することが困難です。細菌性病原体の初期付着と凝集を防ぐための非殺生性界面活性化合物の使用は、抗生物質治療に代わる有望な代替手段であり、さまざまな細菌によって放出される莢膜多糖類を含むいくつかの抗バイオフィルム化合物が同定されています。しかし、これらのポリマーの活性については化学的および機構的な理解が不足しているため、バイオフィルム形成を制御するためのポリマーの使用は制限されています。ここでは、31 種類の精製莢膜多糖類のコレクションをスクリーニングし、まず大腸菌および/または黄色ブドウ球菌のバイオフィルムに対して非殺生物活性を持つ 7 つの新しい化合物を同定します。我々は、印加電場条件下で21種類の莢膜多糖類のサブセットの電気泳動移動度を測定し理論的に解釈し、活性多糖類ポリマーと不活性多糖類ポリマーが異なる界面動電特性を示し、すべての活性高分子が高い固有粘度の特徴を共有していることを示した。抗バイオフィルムの特性に関連する特定の分子モチーフが欠如しているにもかかわらず、高密度の静電荷や流体の流れの透過性などの基準を使用することで、広域スペクトルの抗バイオフィルム活性を持つ 2 つの追加の莢膜多糖を同定することができます。したがって、私たちの研究は、活性多糖と不活性多糖を区別する重要な生物物理学的特性についての洞察を提供します。抗バイオフィルム活性に関連する独特の動電学的特徴の特徴付けは、医療および産業環境におけるバイオフィルム形成を制御するための非殺生性表面活性高分子を同定または操作するための新たな展望を開くものである。

細菌バイオフィルムは、広範囲に表面に付着または凝集した細菌であり、医療用または工業用の表面で発生すると人間の活動に悪影響を与える可能性があります1、2。バイオフィルムは抗生物質に対する耐性が高いため、根絶することが難しく、バイオフィルムに関連した感染症の予防は健康と経済の大きな問題となっています3,4。バイオフィルムの形成を防ぐ戦略は、多くの場合、広域抗生物質や重金属などの殺生物剤でコーティングされた表面を使用して、細菌付着の初期段階をターゲットにします5。これらの殺生物的アプローチは、死んだ細菌や有機破片の急速な蓄積によって制限され、新たに侵入する細胞に対するコーティングされた表面の活性が低下します。さらに、抗生物質などの殺生物剤を放出する表面の使用は、抗生物質耐性の懸念すべき選択に関連しています6。

いくつかの研究では、非抗生物質による癒着防止戦略も細菌のバイオフィルム形成を効果的に妨害できることが示されています7、8、9、10、11、12、13、14。癒着防止表面特性を備えた生物由来の材料の設計は、患者ケア機器を病原体の定着から保護し、最初の表面接触からその後の細菌間相互作用に至る感染の重要な段階を妨げる効果的な解決策を構成するために提案されています15,16。、17．細菌のコミュニケーションを妨害するクオラムセンシング阻害剤を使用してバイオフィルムを予防および/または破壊するアプローチなど、非殺生物および生物ベースの戦略も積極的に研究されています18。細菌はまた、湿潤性や電荷などの材料表面特性を変化させる生物界面活性剤を分泌します 19,20。これらの界面活性化合物は表面接触を減らし、細菌の運動性に寄与したり、細菌間の競合相互作用に関与したりします12。これらの分子の多くは低分子リポペプチドに相当しますが、最近の研究では、さまざまな細菌によって放出される高分子量の莢膜多糖が、広範囲のグラム陽性細菌およびグラム陰性細菌によるその後の細胞凝集およびバイオフィルムの形成につながる接着を防ぐ可能性があることが示されました。これらには、大腸菌、緑膿菌、肺炎桿菌、黄色ブドウ球菌、表皮ブドウ球菌、エンテロコッカス・フェカリスなどのいくつかの院内病原体が含まれます7、9、11、21、22、23、24。

7 dl/g) intrinsic viscosity (Supplementary Fig. 5). Moreover, molecular weight Mw and intrinsic viscosity [η] of polysaccharides with intermediate narrow-spectrum activity (PnPS18C and PnPS12F) cover range of values measured for both broad-spectrum active and non-active macromolecules. To determine whether high intrinsic viscosity could be indicative of potential antibiofilm activity, we screened additional purified bacterial capsular polysaccharides of our collection and we identified two such non-biocidal polysaccharides, MenY and MenW135 (Supplementary Fig. 3), presenting high intrinsic viscosity (Table 1 and Supplementary Fig. 5). Although MenY and MenW135 differ in their primary composition from Vi, MenA, MenC, and G2cps, they both exhibited similar broad-spectrum antibiofilm activity (Fig. 4 and Supplementary Fig. 6). These results indicated that specific polysaccharide conformation, reflected by a high intrinsic viscosity29, could be a determinant of antibiofilm activity./p>30 mM). This property is the direct consequence of the penetration of the electroosmotic flow within the charged polysaccharide globular structure33. Further qualitative inspection of the sets of electrokinetic data collected for the polysaccharides of interest revealed two main electrokinetic patterns. The first one corresponded to the 11 tested inactive macromolecules whose electrophoretic mobility systematically tends to a value of μ* satisfying 0.5 < │μ*│ <1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1. For these macromolecules, the absolute value of the electrophoretic mobility decreases with increasing electrolyte concentration as a result of screening of the polysaccharide charges by the electrolyte ions. This feature is also shared by the active macromolecules (PnPS3, PRP and G2cps) with the noticeable difference that their asymptotic mobility value │μ*│ is significantly larger with μ* now satisfying the inequality │μ*│ >2 × 10−8 m2 V−1 s−1 (Fig. 5A). The second observed electrokinetic pattern applies to macromolecules with narrow (PnPS18C and PnPS12F) or broad-spectrum (Vi, MenA, MenC, MenY and MenW135) activities for which the electrophoretic mobility μ moderately or poorly depends on background electrolyte concentration. Strikingly, active macromolecules with narrow-spectrum antibiofilm activity are defined by electrophoretic mobilities (│μ*│ <0.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) that are much lower in magnitude compared to those measured for broad-spectrum antibiofilm polysaccharides (Vi, MenA, MenC, MenY, and MenW135, │μ*│ >1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) (Fig. 5B). These results demonstrated clearly that active capsular polysaccharides are characterized by a specific electrokinetic signature./p>