Streptococcus gordonii DL1によるオートインデューサー2の産生とluxS変異体のバイオフィルム表現型は、栄養状態に影響されることを明らかにした

Autoinducer 2 production by Streptococcus gordonii DL1 and the biofilm phenotype of a luxS mutant are influenced by nutritional conditions.

抄録

多くの細菌属に存在するluxS遺伝子は、オートインデューサー2（AI-2）合成酵素をコードしている。AI-2は、細菌のシグナル伝達に関与していると考えられており、本研究では、専門家によるクリーニング後、最初の数時間でヒトの歯のエナメル質にコロニーを形成する生物であるStreptococcus gordoniiのバイオフィルム形成におけるAI-2の役割を調べた。ノーザンブロット法とプライマー伸長法により、S. gordonii luxSはモノシストロンであることが明らかになった。AI-2の産生は栄養状態に依存しており、血清と炭酸塩の存在下でS. gordoniiを培養するとAI-2の誘導が最大となった。プランクトン培養では、AI-2の生産量は指数関数的に定常期に移行する間に急激に増加し、AI-2濃度は定常期の約4時間後にピークに達した。相同組換えにより、AI-2を生産しないS. gordonii luxS変異体を構築した。この変異体を、破壊された遺伝子と並行して無傷のluxS遺伝子を染色体に挿入することで相補したところ、AI-2の生産量は野生型株と同等のレベルに回復した。プランクトン培養では、5種類の培地を使用しても変異株と野生型株の間に生育の差は認められなかった。しかし、25％ヒト唾液中でバイオフィルムとして4時間培養したところ、luxS変異株は背の高いミクロコロニーを形成したが、これは野生型および相補型変異株が形成したものとは異なっていた。luxS変異株のバイオフィルムは、フローセルの内腔に伸びる指のような細胞の突起を示した。このように、AI-2を産生できないことは、唾液中で形成されるS. gordoniiバイオフィルム内のミクロコロニー構造の変化と関連していることがわかった。

The luxS gene, present in many bacterial genera, encodes the autoinducer 2 (AI-2) synthase. AI-2 has been implicated in bacterial signaling, and this study investigated its role in biofilm formation by Streptococcus gordonii, an organism that colonizes human tooth enamel within the first few hours after professional cleaning. Northern blotting and primer extension analyses revealed that S. gordonii luxS is monocistronic. AI-2 production was dependent on nutritional conditions, and maximum AI-2 induction was detected when S. gordonii was grown in the presence of serum and carbonate. In planktonic cultures, AI-2 production rose sharply during the transition from exponential to stationary phase, and the AI-2 concentration peaked approximately 4 h into stationary phase. An S. gordonii luxS mutant that did not produce AI-2 was constructed by homologous recombination. Complementation of the mutant by insertion of an intact luxS gene into the chromosome in tandem with the disrupted gene restored AI-2 production to a level similar to that of the wild-type strain. In planktonic culture, no growth differences were observed between the mutant and wild-type strains when five different media were used. However, when grown for 4 h as biofilms in 25% human saliva under flow, the luxS mutant formed tall microcolonies that differed from those formed by the wild-type and complemented mutant strains. Biofilms of the luxS mutant exhibited finger-like projections of cells that extended into the flow cell lumen. Thus, the inability to produce AI-2 is associated with altered microcolony architecture within S. gordonii biofilms formed in saliva during a time frame consistent with initial colonization of freshly cleaned enamel surfaces.