ポリスチレンナノ粒子の不均一な拡散と、粒子電荷とバイオフィルム年齢の関数としての定足数感知遺伝子とEPS産生の発現に対する効果

バイオフィルムは、天然および工学的環境システムの両方に豊富に存在し、より広い粒子の運命と輸送現象に影響を与える可能性があります。いくつかの開発されたモデルは、ナノ粒子とバイオフィルム間の相互作用を説明していますが、研究はナノ粒子拡散パターンの複雑さを明らかにし始めたばかりです。細菌プロセスに影響を与えるナノ粒子の可能性についての知識により、細菌ナノ粒子の相互作用のダイナミクスを明らかにするには、より体系的な研究が必要です。この研究では、ナノ粒子に対する特定の微生物反応とナノ粒子拡散の不均一性を調査しました。Pseudomonas aeruginosa biofilms（発達の早期および後期段階を表す48時間および96時間栽培）は、帯電（アミネートおよびカルボキシル化）ポリスチレンナノ粒子にさらされました。高度な蛍光顕微鏡とリアルタイムの定量的PCRの組み合わせにより、緑膿菌バイオフィルムにおけるポリスチレンナノ粒子の拡散を特徴づけ、主要なEPS生産関連遺伝子の発現の観点からナノ粒子の存在にバイオフィルムがどのように反応するかを評価しました（PelaおよびPelaとRPSL）および定足数関連（LASR）遺伝子。我々の発見は、ナノ粒子の拡散係数が成熟したバイオフィルムでのみ粒子表面電荷とは無関係であり、ナノ粒子の存在が細菌遺伝子発現に影響することを示しています。粒子の電荷ポリスチレンナノ粒子は、成熟したバイオフィルムにおけるPELAを下方制御したPELAとは無関係です。対照的に、電荷固有の応答は、LASRおよびRPSL遺伝子発現で特定されました。標的遺伝子の発現分析と不均一な拡散モデルは、粒子電荷がナノ粒子の移動度に影響を与え、緑膿菌バイオフィルムの内因性構造不均一性に関する重要な洞察を提供することを示しています。これらの発見は、バイオフィルムの成熟度と粒子電荷が、バイオフィルムマトリックス内のナノ粒子の輸送を評価する際に考慮すべき重要な要因であることを示唆しています。

Biofilms are abundantly present in both natural and engineered environmental systems and will likely influence broader particle fate and transport phenomena. While some developed models describe the interactions between nanoparticles and biofilms, studies are only beginning to uncover the complexity of nanoparticle diffusion patterns. With the knowledge of the nanoparticle potential to influence bacterial processes, more systematic studies are needed to uncover the dynamics of bacteria-nanoparticle interactions. This study explored specific microbial responses to nanoparticles and the heterogeneity of nanoparticle diffusion. Pseudomonas aeruginosa biofilms (cultivated for 48 and 96 hours, representing early and late stages of development) were exposed to charged (aminated and carboxylated) polystyrene nanoparticles. With a combination of advanced fluorescence microscopy and real time quantitative PCR, we characterized the diffusion of polystyrene nanoparticles in P. aeruginosa biofilms and evaluated how biofilms respond to the presence of nanoparticles in terms of the expression of key EPS production-associated genes (pelA and rpsL) and quorum-sensing associated (lasR) genes. Our findings show that nanoparticle diffusion coefficients are independent of the particle surface charge only in mature biofilms and that the presence of nanoparticles influences bacterial gene expression. Independent of the particle's charge polystyrene nanoparticles down-regulated pelA in mature biofilms. By contrast, charge-specific responses were identified in lasR and rpsL gene expression. The targeted genes expression analysis and heterogeneous diffusion models demonstrate that particle charge influences nanoparticle mobility and provides significant insight into the intrinsic structural heterogeneity of P. aeruginosa biofilms. These findings suggest that biofilm maturity and particle charge are essential factors to consider when evaluating the transport of nanoparticles within a biofilm matrix.