[論文レビュー] Damping effect of helix-like pili

Johan Zakrisson, Krister Wiklund+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2014

Botulinum Toxin and Related Neurological Disorders参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、尿路病原性エشェリシア・コリにおいてヘリックス様フィリが、流体の流れ下でアンコイルすることで接着分子-受容体結合への力を軽減する機械的ダンパーとして機能すると提案している。生体力学的モデルを用いて、Pフィリおよびタイプ1フィリがそれぞれ中程度の流れ（約25 mm/s）下で、先端部の接着結合への力を約6倍および約4倍に減少させることを示した。このことは、攪乱のある宿主組織のような動的環境において、細菌の接着を強化することを意味する。

ABSTRACT

Biopolymers are vital structures for many living organisms; for a variety of bacteria, adhesion polymers play a crucial role for the initiation of colonization. Some bacteria express, on their surface, attachment organelles (pili) that comprise subunits formed into stiff helix-like structures that possess unique biomechanical properties. These helix-like structures possess a high degree of flexibility that gives the biopolymers a unique extendibility. This has been considered beneficial for piliated bacteria adhering to host surfaces in the presence of a fluid flow. We show in this work that helix-like pili have the ability to act as efficient dampers of force that can, for a limited time, lower the load on the force-mediating adhesin-receptor bond on the tip of an individual pilus. The model presented is applied to bacteria adhering with a single pilus of either of the two most common types expressed by uropathogenic Escherichia coli, P or type 1 pili, subjected to realistic flows. The results indicate that for moderate flows (~25 mm/s) the force experienced by the adhesin-receptor interaction at the tip of the pilus can be reduced by a factor of ~6 and ~4, respectively. The uncoiling ability provides a bacterium with a "go with the flow" possibility that acts as a damping. It is surmised that this can be an important factor for the initial part of the adhesion process, in particular in turbulent flows, and thereby be of use for bacteria in their striving to survive a natural defense such as fluid rinsing actions.

研究の動機と目的

• 尿路病原性エシュェリシア・コリに存在するヘリックス様フィリが、流体の流れ下における細菌接着時に機械的ストレスをどのように軽減するかを理解すること。
• フィリのアンコイルが、フィリ先端部の接着分子-受容体結合への力に与える生体力学的役割を調査すること。
• 生理的に関連する流れ条件下でのPフィリおよびタイプ1フィリのダンピング効率を定量化すること。
• この力の緩和機構が、宿主環境における流体によるすすぎに対して抵抗するための進化的な利点を評価すること。

提案手法

• 既知の構造的特性（剛性およびアンコイル行動を含む）に基づいて、ヘリックス様フィリの生体力学的モデルを構築した。
• モデルは、流体の流れからフィリ先端部の接着分子-受容体結合への力の伝達をシミュレートし、フィリの延長およびアンコイルダイナミクスを考慮した。
• 尿路上皮表面に代表される、現実的な流れ条件（約25 mm/s）下でシステムを分析した。
• ピーク力の比較（アンコイルありとなし）により、力の低減係数を計算した。
• 機械的パrameterが異なる2つの主要なフィリタイプ（Pフィリおよびタイプ1フィリ）を、それらの特性に基づいて区別した。
• 時間依存の力応答を計算し、一時的な流れへの露出下でのダンピング効率を評価するために、数値シミュレーションを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリックス様フィリは、流体の流れ下における細菌接着時に、接着分子-受容体結合への機械的負荷をどの程度効果的に軽減できるか？
• RQ2 中程度の生理的流れ下で、Pフィリとタイプ1フィリはそれぞれどの程度の力の低減を提供するか？
• RQ3 フィリのアンコイル機構は、剥離を防ぐための「流れに従う」戦略にどのように寄与するか？
• RQ4 どの流れ領域でフィリのダンピング効果が細菌接着にとって最も有益か？

主な発見

• ヘリックス様フィリは、流体の流れ下でフィリ先端部の接着分子-受容体結合が受けるピーク力を顕著に低減する。
• 中程度の流れ速度（約25 mm/s）下では、Pフィリが接着結合への力を約6倍に低減する。
• 同じ流れ条件下で、タイプ1フィリは接着結合への力を約4倍に低減する。
• アンコイル機構により、フィリは機械的エネルギーを吸収および散逸し、動的ダンパーとして機能する。
• ダンピング効果は、攪乱的または脈動的な環境に見られる一時的な流れイベントで特に顕著である。
• この機械的バッファリング機構は、流体によるすすぎ中に結合が切れるリスクを低減するため、細菌の生存を高める可能性がある。