Ultrafast and reproducible quantitative analysis of bacterial chemotaxis by microfluidic cell counting and imaging

細菌は、単にその世界における受動的な乗客ではありません。彼らは周囲を感知し、目的を持って移動することができる能動的な航海士なのです。化学走性（ケモタキシス）として知られるこの能力により、微小な生物は自らを維持するための栄養素に向かって泳いだり、生存を脅かす毒性物質から遠ざかったりすることができます。これは、細菌がどのように宿主に感染し、保護的なコミュニカティを形成し、複雑な環境の中で食物を見つけるかを決定づける基本的な行動です。科学者にとって、このナビゲーションを理解することは極めて重要ですが、その測定は長い間、遅く不正確な試みであり続けてきました。従来の方法では、シャーレの中に目に見えるコロニーが成長するまで一晩待つ必要があり、このプロセスは労働集約的で、一貫性に欠ける傾向がありました。実験の設定によって結果が大きく変動してしまうため、細菌の環境に対する反応の微妙な変化を検知したり、彼らを惹きつけたり遠ざけたりする新しい物質を発見したりすることが困難でした。

香港城市大学の研究者たちは、これらの微小な泳ぎ手たちを観察するための、より速く、より信頼性の高い新しい方法を開発しました。彼らは、古典的なテスト手法と、小型の自動計数機を組み合わせました。彼らの手法では、特定の化学物質を含む細いガラス管の隣に、細菌を配置します。もしその化学物質が誘引物質であれば、細菌は管の中へと泳ぎ込み、もし忌避物質であれば、彼らはそこから遠ざかります。かつて、科学者は何時間も待ち、その後、管の中の液体を希釈して、再びコロニーが成長するのを一日待たなければなりませんでした。新しいシステムはこの「待ち時間」を完全にスキップします。細菌が管の中へ泳ぎ込むための時間が経過した後、液体はマイクロ流体デバイス（微細な流路を持つチップ）に直接注入され、カメラとコンピュータがすべての細菌をリアルタイムでカウントします。このプロセスにより、結果を得るために必要な時間は12時間以上からわずか数分へと短縮されました。

研究チームはまず、この計数チップが異なる条件下でも確実に機能することを確認するために、構築とテストを行いました。彼らはさまざまなサイズの流路を作成し、異なる速度で細菌がそれらをどのように通過するかをテストしました。コンピュータシミュレーションを用いて、これらの微細な管の中を水がどのように流れるかをマッピングし、流速が劇的に変化した場合でも、デバイスが細菌を正確にカウントできることを確認しました。彼らは、流路が広くても狭くても、あるいは液体の動きが遅くても速くても、システムが精度を維持することを見出しました。この堅牢性は、結果が機械の癖ではなく、細菌の行動に依存していることを意味するため、非常に重要です。彼らが既知の誘引物質や忌避物質を用いてデバイスをテストした際、アスパラギン酸と呼ばれる化学物質にどれだけの細菌が移動したか、またインドールと呼ばれる物質をどれだけの細菌が避けたかを、見事に測定することに成功しました。その結果は一貫しており、従来の方法よりもはるかにばらつきが少なく、以前は実験的なノイズによって隠されていた差異を特定することができました。

この信頼できるツールを手にした研究者たちは、関心を未解明の物質へと向けました。彼らは、細菌がさまざまな金属イオンに対してどのように反応するかという、これまで徹底的には探求されてこなかった問いをテストしました。その結果、ニッケルが強力な忌避物質として作用し、細菌をそこから遠ざけるように泳がせることを発見しました。また、亜鉛は高濃度では忌避物質として作用する一方で、低濃度では緩やかな誘引物質として作用する可能性があることも突き止めました。どの部分が金属の感知を担っているのかを理解するために、彼らは正常な細菌と、特定の受容体タンパク質を欠いた変異株を比較しました。変異した細菌は、亜鉛には反応しましたが、ニッケルを感知する能力の大部分を失っていました。これは、特定の受容体が亜鉛の感知には必要ではないものの、ニッケルの検出には不可欠であることを証明しており、細菌が化学的世界とどのように相互作用するかについての、より詳細な層を明らかにしました。

この技術をさらに進化させるため、研究者たちは、サンプルをチューブからカウンターへ移動させる必要のない、第二のバージョンのデバイスを設計しました。この統合されたシステムでは、細い流路自体が、テスト場と計数ステーションの両方の役割を果たします。細菌はリザーバーから流路へと直接泳ぎ込み、カメラは外部のポンプや流れる水によって邪魔されることなく、リアルタイムで彼らの動きを監視します。このセットアップにより、チームは細菌の旅をその過程で捉え、反応の最初の一瞬を記録することができました。彼らは、誘引物質にさらされてから10分以内に細菌が流路内に蓄積し始めることを観察しましたが、これは古い手法では決して到達できなかった速度です。さらに、このシステムによって個々の細菌の経路を追跡することが可能になり、彼らが単にランダムに漂っているのではなく、化学物質の源に向かって明確な方向性を持って移動していることが示されました。

この研究は、単純で実績のある手法と現代のイメージング技術を組み合わせることで、科学者が細菌の行動を、以前は不可能であった明快さとスピードで観察できることを実証しています。新しいアプローチは複雑な装置や何日もの待ち時間を必要とせず、幅広い研究室での利用を可能にします。それは、一般的な栄養素への反応から金属イオンへの反応に至るまで、細菌がどのようにその世界を航行しているかについて、明確で定量的な姿を提供します。過去の遅延と不整合を取り除くことで、この手法は、新しい化学信号を発見し、微小な生命を導く根本的なルールを理解するための扉を開いています。