Cellulophaga lytica の虹色のバイオフィルムは、スケーラブルで順序付けられた材料のための調整可能なプラットフォームです

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13192 (2023) この記事を引用

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自然界には、構成要素の階層的な集合により優れた特性を示す材料の例が数多くあります。 モルフォ蝶など、よく研究されている多細胞システムでは、秩序だったサブミクロンの特徴を持つことが構造色の表示によって視覚的に示されます。 自然の設計の詳細な調査により、機構的な洞察が得られ、実験室規模での生体模倣材料の開発につながりました。 しかし、工業規模での階層アセンブリの製造は依然として困難です。 バイオマニュファクチャリングは、生物システムの自律性を活用して、より低コストで炭素排出量を抑えて材料を生産することを目的としています。 以前の報告では、一部の細菌、特に滑走運動性を持つ細菌は自己集合して多結晶構造のバイオフィルムを形成し、キラキラとした虹色を呈することが報告されています。 今回の研究は、これらの細菌の 1 つである Cellulophaga lytica を、規則正しい材料の大規模バイオマニュファクチャリングのプラットフォームとして使用できる可能性を示しています。 C. lytica バイオフィルムの光学的、空間的、時間的特性を制御するための具体的なアプローチが報告されています。 相補的な顕微鏡ベースの研究により、バイオフィルムの色の変化は、局所環境に対する細胞の反応によって引き起こされる形態の変化に起因することが明らかになりました。 C. lytica バイオフィルムの材料への組み込みも実証されており、それによって製造プロセス中に必要とされる取り扱いや下流の処理が容易になります。 最後に、自己印刷のフォトニックインクとしての C. lytica の有用性がこの研究によって確立されました。 要約すると、周囲条件下および複数の長さスケールにわたる C. lytica の自律的な表面集合は、工業環境における規則正しい材料の生産を現在妨げている課題を回避します。

変動する過酷な環境は、生物システムに生存のための緩和戦略の進化を迫ります。 構造階層は、このような課題に対する一般的な対応策であり、顕著な材料特性と機能性の基礎となっています 1,2。 研究者らは自然の設計原理を組み込んだ生体模倣材料を開発しましたが、階層的な材料を工業規模で製造することは依然として困難です 3,4,5。 バイオマニュファクチャリングには、生物を使用して複雑な材料を生産することにより、エネルギー消費と炭素排出量を削減できる可能性があります6、7、8。 特に焦点を当てているのは、埋め込まれた細胞により機能性材料の 3D プリンティングを可能にするバクテリアインクです 9,10。 研究者らは、ナノ構造、電場、および光遺伝学を使用して、追加の制御のために細菌をパターン化する実験室の成功を報告しています11、12、13。

構造的着色は、細菌のコロニーに関連する新たな特性であり、光と繰り返し発生する階層的なサブミクロン構造との相互作用に由来します。 多細胞生物では、構造色は集光、交配、防御、コミュニケーションなどの必須機能を強化します14、15、16、17。 虹色、または角度依存の構造色には、多くの場合、色素、虹色素胞、および真核生物の膜に付着した多層構造の組み合わせが含まれます 18,19。 サイトファーガ属、フラボバクテリウム属、セルロファーガ属を含む原核生物系も虹色を示し、関与する正確なメカニズムは現在いくつかのグループによって研究中です 20、21、22。 これらの細菌による虹色は、角度に依存するピーク強度を持つ構造色として定義されます。 これは、反射波長も角度に依存する蝶や軟体動物の殻に一般的に関連付けられる虹色とは異なることに注意してください。 実験室条件下では、Cellulophaga lytica の菌株はバイオフィルムとして知られる協力的な 3D コミュニティを自己組織化し、個別の波長の虹色を生成します 22,23。 調整された滑走運動により、広い領域にわたる細菌の短距離順序付けが容易になります24、25、26。 Kientz らの研究では、米国ラホーヤとフランスのオレロン島の海水水族館からそれぞれ採取された海洋分離株 DSM 2040 と CECT 8139 を含む C. lytica のさまざまな株によって、キラキラのような虹色が発生しました 23。 滑空能力や温度、塩分などの環境要因が虹色に影響を与えることが示されています20、27、28。 C. lytica DSM 7489 (別名 CIP 103822 および Lim 21T、元々はコスタリカのリモンの海岸泥から単離された) は虹色が著しく弱く、実験では陰性対照として使用されました 20、22、23。 バイオマニュファクチャリングに適した階層的材料を開発するという我々の目標に従って、この研究では、C. lytica の市販株である DSM 7489 の虹色バイオフィルムを特徴付け、バイオフィルムの光学的および空間的特性を制御するための戦略を開発しました。 このように、持続可能な方法で製造された注文された材料を開発するためのプラットフォームとしての C. lytica バイオフィルムの有用性が実証されました。