[論文レビュー] Escherichia coli as a model active colloid: A practical introduction

Jana Schwarz‐Linek, Jochen Arlt+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Micro and Nano Robotics参考文献 93被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、生育条件の最適化と微分動的顕微鏡法（DDM）を用いた運動性の定量的評価により、モデル的な能動的コロイドとしての *Escherichia coli* の再現可能で標準化された培養プロトコルを確立した。泳動速度とプロトン動こう力の相関関係が示され、細菌の代謝エネルギー学的状態を高スループットで非侵襲的にプローブする手法としての運動性の可能性が示された。

ABSTRACT

The flagellated bacterium Escherichia coli is increasingly used experimentally as a self-propelled swimmer. To obtain meaningful, quantitative results that are comparable between different laboratories, reproducible protocols are needed to control, `tune' and monitor the swimming behaviour of these motile cells. We critically review the knowledge needed to do so, explain methods for characterising the colloidal and motile properties of E.coli, cells, and propose a protocol for keeping them swimming at constant speed at finite bulk concentrations. In the process of establishing this protocol, we use motility as a high-throughput probe of aspects of cellular physiology via the coupling between swimming speed and the proton motive force.

研究の動機と目的

• ソフトマターおよび生物物理学分野における *E. coli* をモデル的な能動的コロイドとして用いる再現可能で、調整可能で、特徴付け可能なプロトコルの不足に対処すること。
• 培養条件、細胞調製法、運動性測定法の標準化を通じて、細菌の運動性に関する定量的かつクロスラボラトリ比較を可能にすること。
• 泳動速度が細胞の代謝エネルギー学的状態、特にプロトン動こう力の高スループットで非侵襲的なプローブとして機能することを示すこと。
• 微生物学、生物物理学、コロイド物理学を統合した包括的でアクセス可能なガイドを提供し、異分野研究者を支援すること。

提案手法

• 定義された培地（LB、TB、BMB）と温度制御（30°C または 37°C）を用いて、生育および運動性の標準化を図ること。
• 微分動的顕微鏡法（DDM）を導入し、リアルタイムでの泳動速度および運動ダイナミクスの定量的測定を実施すること。
• 残留栄養素を除去し運動性を安定化させるために、バッファー中での細胞洗浄および再懸濁を実施し、ODを調整して細胞密度を制御すること。
• グルコース利用速度をグルコースオキシダーゼ法で測定し、代謝活性を評価するとともに、運動性と相関をとること。
• プロトン動こう力を調整可能なパラメータとして用い、泳動速度の調整を可能とし、運動性データとの相関関係で妥当性を検証すること。
• 統計的および物理的モデルを適用し、平均速度、走行時間、非運動性割合などの運動性パラメータを抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 *E. coli* の運動性を、異なる研究室間で標準化し、調整可能にする方法は何か？ これにより、信頼できるモデル的な能動的コロイドとしての利用が可能になるか？
• RQ2 *E. coli* の泳動速度は、プロトン動こう力という細胞の代謝エネルギー状態をどの程度反映しているか？
• RQ3 微分動的顕微鏡法（DDM）は、懸濁状態の細菌の運動性を、堅牢で定量的かつ高スループットに測定可能か？
• RQ4 培養条件（培地、温度、生育段階）は、*E. coli* 細胞のサイズ、形状、運動性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 *E. coli* におけるグルコース消費速度と泳動速度との間の定量的関係は何か？

主な発見

• 再現可能なプロトコルが開発され、有限なバルク濃度下で *E. coli* の泳動速度を一定に維持でき、複数研究室間での比較が可能になった。
• *E. coli* AB1157 における泳動速度は、プロトン動こう力と強く相関しており、運動性が細胞の代謝エネルギー学的状態を機能的プローブとして利用可能であることが示された。
• *E. coli* の平均グルコース利用速度は $5.2 imes 10^{-6}$ mol/min/g 細胞湿量、すなわち約 5 a/mol/min/細胞 と測定された。
• *E. coli* の細胞体長は生育段階や温度に応じて 1.5–4.4 µm の範囲で変動し、標準偏差は約 0.3–0.5 µm であった。
• DDM を用いることで、高スループットかつ定量的な運動性追跡が可能になり、平均泳動速度および走行時間ダイナミクスの正確な測定が可能になった。
• バッファーによる細胞洗浄は、サイズ分布にほとんど影響を及ぼさなかったが、残留栄養素の除去により運動性の安定性が顕著に向上した。