2023 年 8 ⽉ 22 ⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学
国⽴研究開発法⼈科学技術振興機構（JST）

油分解細菌の集団は表⾯積を広げて油分解効率を⾼める
海洋に広く存在する油分解性の細菌は、油⽔界⾯上に強く付着しながら集団で密集して⽣育することで、油界⾯の屈曲を⽣じさせることを発⾒しました。これにより油⽔界⾯の⾯積を拡⼤させ、より多くの細胞が直接油に接触できるようになり、効率的に油を分解していることが分かりました。

実環境中において、多くの細菌はバイオフィルムと呼ばれる集団を形成して⽣存しています。ある
種の海洋細菌は、海洋に流出した⽯油などの油の周囲にバイオフィルムを形成し、これを栄養源とし、⽣分解します。しかし、バイオフィルムの形成と油の分解との関連は解明されていませんでした。
本研究では、マイクロ流体デバイスを⽤いた観察系を構築し、細菌の細胞と微⼩な油滴との相互作⽤を⾼解像度で可視化しました。その結果、油分解細菌の⼀種である Alcanivorax borkumensis が、油と⽔の界⾯に強く付着し、⽣育に伴って油滴の形状を樹状突起のように変形させ、表⾯積を広げることによって、より多くの細胞が油に直接、接触できるようになり、効率よく油を分解できることが分かりました。また、理論物理モデルを⽤いて、バイオフィルムの形成とその形状のダイナミクスを予測することに成功しました。
さらに、この油滴の形状変化は、細胞が野菊の花びらのように配置している中⼼から始まることが分かりました。このような油滴表⾯での特徴的な細胞の配置パターンは、液晶のネマチック相の分⼦配列（分⼦は⼀⽅向に配向するが、重⼼はランダム）に類似しています。すなわち、細菌はバイオフィルムを形成し、互いに協⼒して、細胞の成⻑に伴う圧⼒を利⽤することで、野菊の花びら状の中⼼が隆起し、油界⾯の突起形成を引き起こして、効率的に油を分解していることが⽰されました。
本研究の成果は、細菌を⽤いた環境浄化技術（バイオレメディエーション）の効率化に貢献することが期待されます。

研究代表者
筑波⼤学 ⽣命環境系
Andrew S. Utada 准教授

1研究の背景
多くの細菌は、バイオフィルム注１)と呼ばれる集団を形成して⽣存しています。バイオフィルムは植物、動物、そして⼈間の健康や⽣活と関わっており、致命的な感染症や、⼯業⽤パイプの詰まりや腐⾷による経済的損害の原因となります。⼀⽅で、廃⽔処理における浄化にも重要な役割を果たしており、バイオレ
メディエーション注２)の担い⼿としても知られています。ある種の海洋細菌は、⽯油を栄養源として消費し、海洋に流出した油なども⽣分解します。⽯油を分解する際、これらの細菌は油滴の周囲にバイオフィルムを形成しています（図 1）。しかしながら、細菌による⽯油分解の研究は、これまで主に試験管内で⾏われてきたため、バイオフィルムやこれを形成する 1 細胞が実際に⽯油を分解するメカニズムは不明のままでした（図 2 左）。
研究内容と成果
本研究では、海洋に広く存在する細菌が油を分解するメカニズムを明らかにしました。マイクロ流体デバイス注３)を利⽤して、細菌と微⼩な油滴との相互作⽤を時空間的に⾼解像度で可視化しました。このマイクロ流体デバイスは、⼈間の髪の⽑の直径の 1/2 ほどの⼤きさの油滴をトラップし、油滴上の油分解性細菌の挙動を 1 週間以上観察し続けることができます（図 2 右）。
観察の結果から、
海洋細菌 Alcanivorax

borkumensis が油滴上に 2 つの異なるタイプのバイオフィルムを形成することを⽰しました。この 2 つのタイプを、球状バイオフィルム（spherical biofilm: SB）と樹状バイオフィルム（dendritic biofilm: DB）と名付けました（図 3）。DB は、油界⾯の⾯積を広げることによって、SB よりもはるかに速く油滴を分解していました。油と⽔は混ざらないため、通常、油滴は海⽔中では球状の構造を保っています。しかし、

A. borkumensis が油液界⾯に DB を形成することによって、界⾯の構造が崩れ、油滴は樹状様構造を⽰します。これによって油界⾯の⾯積が指数関数的に拡⼤し、より多くの細胞が油に直接、接触できるようになります。
DB 細胞が油滴をどのように変形させるかを明らかにするため、細胞表⾯の特性を調べたところ、DB細胞の表⾯は疎⽔性が増しており、SB 細胞よりも油に強く付着することが分かりました。さらに、A.

borkumensis はバイオサーファクタント注４)と呼ばれる分⼦を分泌して表⾯張⼒を低下させ、油との界⾯を変形しやすくしています。
さらに、理論物理モデルを⽤いて、バイオフィルムの形成のダイナミクスとその形状を予測したとこ
ろ、細菌の細胞は油滴表⾯を隙間なく覆っており、その配置は特徴的なパターンを⽰していること、この配置パターンが液晶の物理学により説明できることを発⾒しました。油滴の形状変化は、細胞が野菊の花びらのように配置している領域の中⼼から始まることが分かりました（図 3）。細胞の成⻑と密集によってバイオフィルム内の圧⼒が上昇すると、野菊の花びら状の中⼼が隆起し、樹状突起様構造の形成が始まります。細胞は、バイオフィルムを形成し互いに協⼒することによって、細胞の成⻑に伴う圧⼒を特定の場所に集中させ、その結果、油界⾯の隆起が起こり、細胞に覆われた油のチューブが形成されます（図３）。このような細胞の並び⽅は、液晶のネマチック相（分⼦は⼀⽅向に配向するが、重⼼はランダム）と類似しています。
今後の展開
近年、アクティブマター（active matter）と呼ばれる、⾃ら動く能⼒を持つ物質における複雑な挙動に注⽬が集まっています。細菌はそのような「物質」の⼀つであり、私たち⼈間にはないような特別な能⼒を持っていることが古くから知られています。本研究の結果から、細菌は物理学を活⽤して、餌である油2を効率よく利⽤することを実証しました。このようなメカニズムは、他の類似した⽣物の研究に応⽤可能であるとともに、油のバイオレメディエーションの効率化に貢献すると考えられます。
参考図

図 1．海⽔中の油滴表⾯上に存在する細菌の模式図

図 2．本研究で使⽤したマイクロ流体デバイスを⽤いた油滴上細菌の観察技術

図 3．共焦点レーザー顕微鏡注５)による油滴上における球状バイオフィルム（SB）と樹状バイオフィルム（DB）の画像。SB では油滴は球状を保っているが、DB では油滴が樹状突起のような形状に変化し、油3がチューブ状に伸びている。右図は油滴の隆起が起きる直前の油滴上の細菌細胞の配置を⽰す。挿⼊図は野菊の写真。野菊の中⼼部に当たる部分から油滴の隆起がはじまる。
⽤語解説
注１） バイオフィルム（biofilm）
微⽣物が形成する集合体のこと。微⽣物の細胞と微⽣物が⾃ら産⽣するマトリクス（多糖やタンパク質、核酸など）から成る。
注２） バイオレメディエーション（bioremediation）
微⽣物や植物などの⽣物を⽤いて、有害物質で汚染された⼟壌、地下⽔や海洋を浄化する技術のこと。
注３） マイクロ流体デバイス（microfluidic device）
微細加⼯技術を利⽤して樹脂やガラスなどの基盤に微⼩流路を形成した装置。
注４） バイオサーファクタント（biosurfactant）
微⽣物が⽣産する界⾯活性剤。本来混じり合わない油と⽔の界⾯に作⽤して混ぜ合わせる働きがある。
注５）

共焦点レーザー顕微鏡（confocal laser scanning microscope）

レーザー光を観察対象上を⾛査させながら像をつくる顕微鏡で、⾼解像度かつ三次元的なイメージを得ることができる。
研究資⾦
本研究は、科研費（38559WJ、21H01720）と JST-ERATO（JPMJER1502）による研究プロジェクトの⼀環として実施されました。
掲載論⽂【題 名】 Alcanivorax borkumensis Biofilms Enhance Oil Degradation By Interfacial Tubulation（Alcanivorax borkumensis のバイオフィルムは界⾯のチューブ化によって油の分解を促進する）【著者名】 M. Prasad, N. Obana, S.-Z. Lin, S. Zhao, K. Sakai, C. Blanch-Mercader, J. Prost, N. Nomura,J.-F. Rupprecht, J. Fattaccioli, A. S. Utada【掲載誌】 Science【掲載⽇】 2023 年 8 ⽉ 18 ⽇
【DOI】

10.1126/science.adf3345

問合わせ先【研究に関すること】
Andrew S. Utada
筑波⼤学 ⽣命環境系 准教授
TEL: 029-853-5348
URL: https://trios.tsukuba.ac.jp/researcher/0000003853

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