JP2020109064A - Method and oral composition for reducing activity of pathogenic bacteria present inside oral biofilm - Google Patents

Method and oral composition for reducing activity of pathogenic bacteria present inside oral biofilm Download PDF

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章玄 岡本
Akihiro Okamoto
章玄 岡本
ディビア ナラダス
Naradasu Divya
ディビア ナラダス
達次 西原
Tatsuji Nishihara
達次 西原
敏則 沖永
Toshinori Okinaga
敏則 沖永
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Abstract

To provide novel methods and oral compositions that can inhibit the onset and progression of oral diseases, such as caries and periodontal disease, by reducing the activity of pathogenic bacteria present inside the oral biofilm.SOLUTION: The method for reducing the activity of pathogenic bacteria present inside the oral biofilm according to one embodiment of the present invention reduces the activity of the pathogenic bacteria by controlling the extracellular electron transfer mechanism of the pathogenic bacteria. The oral composition according to one embodiment of the present invention contains a production inhibitor of electron transmitters produced by bacteria, which are present inside the oral biofilm, having the electron transmitter-producing ability.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の活性を低減させる方法および口腔用組成物に関する。 The present invention relates to a method and oral composition for reducing the activity of pathogenic bacteria present inside an oral biofilm.

バイオフィルム(biofilm)は、細菌および細菌が産生する粘着性の菌体外多糖体(EPS:Extracellular Polysaccharide Substance)(グリコカリックス(glycocalyx)とも称される。)が固相表面に付着して形成されるフィルム状の集合体であり、口腔内のデンタルプラーク(歯垢)は、唾液を介して生じるバイオフィルムの典型例である。 BACKGROUND ART A biofilm is formed by attaching bacteria and an adherent extracellular polysaccharide (EPS) (also referred to as glycocalyx) produced on the solid phase surface. Dental plaque (plaque) in the oral cavity is a typical example of a biofilm produced through saliva.

口腔バイオフィルムは、500〜700種類、またはそれ以上の数の細菌で構成されており、連鎖球菌属(Streptococcus)の細菌は、その代表的な細菌である。なかでもStreptococcus mutans(S. mutans)は、う蝕の原因となる細菌(う蝕原性細菌)のひとつであり、糖を原料としてグリコカリックスを産生し、歯の表面で他の口腔細菌とともにデンタルプラークを形成する。口腔バイオフィルムの内部に存在するS. mutansなどの細菌は、酸素がなくても増殖できる嫌気性細菌であり、このような細菌の多くがう蝕や歯周病などの口腔疾患に関与する病原性細菌である。そのため、口腔バイオフィルムの除去、あるいは口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌(以下、「口腔バイオフィルム内の病原性細菌」とも記載する。)の殺菌が、口腔疾患の発症および進行のリスク低減に重要であるとされている。また、近年、口腔バイオフィルム内の病原性細菌が全身の様々な疾患に関与していることも明らかにされてきており、口腔ケアに対する関心が一層高まっている。 The oral biofilm is composed of 500 to 700 kinds or more of bacteria, and bacteria of the genus Streptococcus are typical bacteria. Among them, Streptococcus mutans (S. mutans) is one of the bacteria that cause caries (cariogenic bacterium), which produces glycocalyx using sugar as a raw material and forms dental cartilage along with other oral bacteria on the tooth surface. Forming plaques. Bacteria such as S. mutans existing inside the oral biofilm are anaerobic bacteria that can grow even in the absence of oxygen, and many of these bacteria are pathogenic factors related to oral diseases such as caries and periodontal disease. It is a sex bacterium. Therefore, removal of the oral biofilm or sterilization of pathogenic bacteria present inside the oral biofilm (hereinafter also referred to as “pathogenic bacteria in oral biofilm”) is associated with the risk of the onset and progression of oral diseases. It is said to be important for reduction. Further, in recent years, it has been revealed that pathogenic bacteria in the oral biofilm are involved in various diseases of the whole body, and interest in oral care is further increasing.

口腔内常在細菌やう蝕原性細菌が歯の表面に形成するバイオフィルムや、歯周病原性細菌等が歯周ポケット内に形成するバイオフィルムでは、病原性細菌を含む複数の微生物が相互に影響を及ぼしあってコミュニティが形成されている。口腔バイオフィルムの形成が進行すると、バイオフィルムの構造がより複雑に変化するため、抗菌剤は口腔バイオフィルムの内部へ浸透しにくくなり、病原性細菌を効果的に殺菌することが難しくなる。 In biofilms formed by oral indigenous bacteria and cariogenic bacteria on the surface of teeth, and biofilms formed by periodontopathic bacteria in the periodontal pocket, multiple microorganisms containing pathogenic bacteria interact with each other. Communities are formed by influencing each other. As the formation of the oral biofilm progresses, the structure of the biofilm changes more complicatedly, so that it becomes difficult for the antibacterial agent to penetrate into the oral biofilm, and it becomes difficult to effectively kill pathogenic bacteria.

例えば、特許文献1では、炭素数6〜12の中鎖脂肪酸のモノグリセライドと抗菌成分とを併用することにより、従来の抗菌剤では効きにくい口腔バイオフィルムに対して殺菌効果を発揮させ、口腔バイオフィルムを除去することが提案されている。 For example, in Patent Document 1, by using a monoglyceride of a medium-chain fatty acid having 6 to 12 carbon atoms and an antibacterial component in combination, a bactericidal effect is exhibited against an oral biofilm that is difficult to be treated by a conventional antibacterial agent, and an oral biofilm. Is proposed to be removed.

特許文献2では、細菌同士の情報伝達メカニズムであるクオラムセンシング(quorum sensing)に着目し、S. mutansによる口腔バイオフィルム形成の抑制効果が報告された化合物の構造を基に探索を行い、けい皮酸類縁体を用いることによって口腔バイオフィルムの形成を抑制することが提案されている。 In Patent Document 2, focusing on quorum sensing, which is a mechanism of information transmission between bacteria, a search was conducted based on the structure of a compound reported to have an inhibitory effect on oral biofilm formation by S. mutans. It has been proposed to suppress oral biofilm formation by using cinnamic acid analogs.

特許第5953608号公報Patent No. 5953608 Publication 特許第6389212号公報Japanese Patent No. 6389212

特許文献1のような抗菌剤を用いるアプローチでは、標的とする病原性細菌の抗菌剤に対する耐性が強まったり、抗菌剤によって標的外の細菌の代謝活性を高めてしまったりする場合がある。また、新たな耐性菌が出現する可能性を排除することはできず、殺菌効果の維持・継続が難しいという問題がある。実際に、抗菌剤等の薬剤の使用による耐性菌の増加は、病原性細菌に関する最も大きな問題のひとつである。 In the approach using an antibacterial agent as disclosed in Patent Document 1, the resistance of the target pathogenic bacterium to the antibacterial agent may be increased, or the antibacterial agent may increase the metabolic activity of non-target bacteria. In addition, the possibility that new resistant bacteria may appear cannot be ruled out, and there is a problem that it is difficult to maintain and continue the bactericidal effect. In fact, the increase of resistant bacteria due to the use of agents such as antibacterial agents is one of the biggest problems with pathogenic bacteria.

近年、クオラムセンシングが細菌の種々の機能の制御に関わっていることが明らかになるにつれて、クオラムセンシングの制御方法に関する研究が活発に行われている。クオラムセンシングの制御によって、細菌の病原性の発現を抑制することが期待されるという点で、特許文献2のようなアプローチは有効性が期待される。また、クオラムセンシングの制御において用いられる化学物質は、耐性菌出現のリスクが低いという点もメリットとなり得るが、このことは、クオラムセンシングを制御することによる効果は限定的であり、病原性細菌を殺菌することはできないことを意味している。また、クオラムセンシングは、細菌によるグリコカリックスの産生の制御など、バイオフィルムの立体構造体の形成には関与しているが、歯などの固相表面への初期吸着などには関与していないため、クオラムセンシングの制御のみによって細菌の付着を防ぐことは難しい。 In recent years, as it has become clear that quorum sensing is involved in the control of various functions of bacteria, active research is being conducted on quorum sensing control methods. The approach of Patent Document 2 is expected to be effective in that it is expected that the expression of bacterial pathogenicity is suppressed by controlling quorum sensing. In addition, chemical substances used in the control of quorum sensing may also be advantageous in that the risk of emergence of resistant bacteria is low, but this means that the effect of controlling quorum sensing is limited, and pathogenicity is limited. It means that bacteria cannot be killed. In addition, quorum sensing is involved in the formation of the three-dimensional structure of biofilm, such as the control of glycocalyx production by bacteria, but is not involved in the initial adsorption on the solid phase surface such as teeth. Therefore, it is difficult to prevent bacterial attachment only by controlling quorum sensing.

上述したように、従来の生化学的アプローチでは、口腔疾患に対する十分な予防・治療効果が発揮されない場合があるという問題があった。そのため、これまでの様々な試みにもかかわらず、依然として、今までとは全く異なるアプローチによる口腔疾患の予防および治療に寄与し得る方法の開発が望まれている。 As described above, the conventional biochemical approach has a problem in that it may not exhibit sufficient preventive/therapeutic effect for oral diseases. Therefore, despite various attempts so far, there is still a demand for the development of a method that can contribute to the prevention and treatment of oral diseases by a completely different approach.

上記の事情に鑑みて、本発明者等は、口腔バイオフィルムの内部に存在するS. mutansに代表される病原性細菌のエネルギー産生メカニズム(代謝反応)、特に嫌気条件下での発酵(fermentation)メカニズムに着目し、物理化学的アプローチを用いて、当該病原性細菌の活性を低減させることで口腔疾患の発症および進行を抑制し得る、新規な方法および口腔用組成物の開発を試みた。 In view of the above circumstances, the present inventors have found that the energy production mechanism (metabolic reaction) of pathogenic bacteria represented by S. mutans present inside the oral biofilm (metabolic reaction), especially fermentation under anaerobic conditions (fermentation). Focusing on the mechanism, we have attempted to develop a novel method and oral composition that can suppress the onset and progression of oral diseases by reducing the activity of the pathogenic bacterium using a physicochemical approach.

口腔バイオフィルム内の嫌気環境に存在する病原性細菌にとって、酸化還元バランス(レドックスバランス;redox balance)を保つことは、代謝(発酵)を維持する上で非常に重要である。例えば、S. mutansが糖を代謝すると、乳酸、酢酸、ギ酸等の有機酸や、水素、二酸化炭素等が産生され、pHが低下することで口腔バイオフィルムの内部が高い還元環境となる。このような還元条件下では、NADHの酸化によるNAD+の再生が起こりにくくなるため、発酵によるエネルギー産生の最大化が妨げられる。従って、口腔バイオフィルム内の病原性細菌にとって、NADHからNAD+の再生が円滑に行われることが、酸化還元バランスを保ち、生命活動を維持するための重要なファクターである。また、個々の細菌レベルだけでなく、口腔バイオフィルム内でコミュニティを形成している共生細菌による水素の消費が、病原性細菌の細胞内エネルギーのバランスの維持に寄与しているとも考えられている。 For a pathogenic bacterium existing in an anaerobic environment in an oral biofilm, maintaining a redox balance is very important in maintaining metabolism (fermentation). For example, when S. mutans metabolizes sugar, organic acids such as lactic acid, acetic acid, and formic acid, hydrogen, carbon dioxide, and the like are produced, and the pH is lowered, so that the inside of the oral biofilm becomes a highly reducing environment. Under such reducing conditions, the regeneration of NAD+ due to the oxidation of NADH is unlikely to occur, and thus the maximization of energy production by fermentation is hindered. Therefore, for pathogenic bacteria in the oral biofilm, smooth regeneration of NAD+ from NADH is an important factor for maintaining redox balance and maintaining life activity. It is also believed that hydrogen consumption by the symbiotic bacteria forming a community within the oral biofilm, as well as individual bacterial levels, contributes to maintaining the intracellular energy balance of pathogenic bacteria. ..

自然界に存在する細菌(environmental bacteria)の中には、細胞外電子移動(EET:Extracellular Electron Transport)によってNAD+の再生を行うものがあることが知られている。これらの細菌は、菌体内での電子供与体(有機物)の分解(代謝)によって発生した電子を、細胞外膜に発現した電子伝達酵素(シトクロムc)を介して、菌体外の電子受容体(金属等)に伝達する能力を有することから、「電流発生菌」とも呼ばれ、近年、持続可能なエネルギー生産技術として、バイオマス等を利用して発電をする微生物燃料電池などの分野での研究が盛んに行われている。 It is known that some bacteria existing in nature (environmental bacteria) regenerate NAD+ by extracellular electron transfer (EET). These bacteria use an electron-accepting enzyme (cytochrome c) expressed on the extracellular membrane to generate an electron generated by the decomposition (metabolism) of an electron donor (organic substance) inside the bacterial cell, which is an extracellular electron acceptor. Since it has the ability to transmit to metals (metals, etc.), it is also called "current-producing bacteria". In recent years, as a sustainable energy production technology, research in the fields of microbial fuel cells that generate electricity using biomass etc. Is being actively conducted.

しかしながら、S. mutansをはじめとする口腔バイオフィルム内の病原性細菌の多くは、電流発生菌のような細胞表面に局在化するシトクロムcやそれに付随する電子伝達系を有していないことが知られているため、これまで、これらの細菌が上述したような細胞外電子移動を行う能力(細胞外電子伝達能)を有するかどうかは解明されていないばかりか、研究の対象ともされておらず、少なくとも本発明者等が知り得る限りにおいて、そのような研究報告例は存在しない。 However, many pathogenic bacteria in oral biofilms such as S. mutans do not have cytochrome c localized on the cell surface such as current-producing bacteria or electron transport system associated therewith. Since it is known, whether these bacteria have the ability to carry out extracellular electron transfer (extracellular electron transfer ability) as described above has not been elucidated, and they have not been studied. Of course, as far as the present inventors can know, there is no such research report example.

一方、本発明者等は、Shewanella oneidensis(S. oneidensis)等のシュワネラ属細菌に代表される鉄還元菌の細胞外電子伝達機構、およびこれらの細菌の電流発生菌としての産業利用について研究を重ねる中で、口腔バイオフィルム内の病原性細菌が、鉄還元菌と同様に嫌気性細菌であることに着目し、口腔バイオフィルム内での発酵メカニズムにおいて、酸化還元バランスを維持することに細胞外電子伝達機構が関与している可能性があることを着想した。 On the other hand, the inventors of the present invention carry out research on the extracellular electron transfer mechanism of iron-reducing bacteria represented by Schwanella bacteria such as Shewanella oneidensis (S. oneidensis) and the industrial use of these bacteria as current-producing bacteria. Among them, focusing on the fact that the pathogenic bacteria in the oral biofilm are anaerobic bacteria as well as the iron-reducing bacteria, it is necessary to maintain the redox balance in the fermentation mechanism in the oral biofilm. The idea was that the transmission mechanism might be involved.

そこで、本発明者等は、代表的なう蝕原性細菌として知られているS. mutans(UA159株)を用いて、後述する手法により、実際にS. mutansが細胞外電子伝達機構を有していることを見出した。さらに、S. mutansを用いた実験により、S. mutansが、発酵等によって菌体内に生じた過剰な還元エネルギーを電子として菌体外へ伝達することによってNAD+の再生を行い、乳酸発酵活性を保っていることを見出した。すなわち、S. mutansにとって、細胞内から細胞外へ電子を排出することは、酸化還元バランスを保持し、生命活動を維持するために重要な役割を果たしていることが明らかとなった。 Therefore, the present inventors have actually used S. mutans (UA159 strain), which is known as a typical cariogenic bacterium, by the method described below to actually provide S. mutans with an extracellular electron transfer mechanism. I found that. Furthermore, according to an experiment using S. mutans, S. mutans regenerates NAD+ by transmitting the excessive reduction energy generated inside the cells due to fermentation etc. to the outside of the cells as an electron to maintain the lactic acid fermentation activity. I found that. In other words, it was clarified that for S. mutans, discharging electrons from the inside of the cell to the outside of the cell plays an important role in maintaining redox balance and maintaining life activity.

これらの新規な知見に基づき、本発明者等はさらに研究を重ね、口腔バイオフィルム内の病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御することにより、当該病原性細菌の活性を低減することができ、その結果、口腔疾患の発症および進行を抑制することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。 Based on these novel findings, the present inventors have conducted further research, and by controlling the extracellular electron transfer mechanism of pathogenic bacteria in the oral biofilm, the activity of the pathogenic bacteria can be reduced. As a result, they have found that the onset and progression of oral diseases can be suppressed, and completed the present invention.

すなわち、本発明は、以下の態様を包含する。
(1)口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御することにより、前記病原性細菌の活性を低減させる方法。
(2)前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制することにより、前記病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御する、(1)に記載の方法。
(3)口腔バイオフィルムの内部から外部への電子移動を抑制することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する、(2)に記載の方法。
(4)口腔バイオフィルムの内部に存在する、電子伝達物質生成能を有する細菌による電子伝達物質の生成を阻害することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する、(2)または(3)に記載の方法。
(5)前記病原性細菌の細胞外膜に存在する電子伝達酵素の活性を阻害することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する、(2)に記載の方法。
(6)前記電子伝達物質がリボフラビンである、(4)に記載の方法。
(7)前記病原性細菌が口腔疾患の原因となる細菌である、(1)から(6)のいずれか一項に記載の方法。
(8)前記病原性細菌が、う蝕原性細菌または歯周病原性細菌である、(7)に記載の方法。
(9)前記病原性細菌が、Streptococcus mutans、Streptococcus sanguinis、Porphyromonas gingivalis、またはAggregatibacter actinomycetemcomitansである、(8)に記載の方法。
(10)口腔バイオフィルムの内部に存在する、電子伝達物質生成能を有する細菌によって生成される電子伝達物質の生成阻害剤を含有する口腔用組成物。
(11)前記電子伝達物質がリボフラビンである、(10)に記載の口腔用組成物。
(12)口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の細胞外膜に存在する電子伝達酵素に対する活性阻害剤を含有する口腔用組成物。
That is, the present invention includes the following aspects.
(1) A method of reducing the activity of the pathogenic bacterium by controlling the extracellular electron transfer mechanism of the pathogenic bacterium existing inside the oral biofilm.
(2) The method according to (1), wherein the extracellular electron transfer mechanism of the pathogenic bacterium is controlled by suppressing electron transfer from the inside of the pathogenic bacterium to the outside of the cell.
(3) The method according to (2), wherein the electron transfer from the inside to the outside of the pathogenic bacterium is suppressed by suppressing the electron transfer from the inside to the outside of the oral biofilm.
(4) Suppressing electron transfer from intracellular to extracellular of the pathogenic bacterium by inhibiting the production of an electron mediator by a bacterium having the ability to generate an electron mediator present in the oral biofilm. The method according to (2) or (3).
(5) The method according to (2), wherein the electron transfer from the intracellular to the extracellular of the pathogenic bacterium is suppressed by inhibiting the activity of an electron transfer enzyme present in the extracellular membrane of the pathogenic bacterium. ..
(6) The method according to (4), wherein the electron mediator is riboflavin.
(7) The method according to any one of (1) to (6), wherein the pathogenic bacterium is a bacterium that causes oral diseases.
(8) The method according to (7), wherein the pathogenic bacterium is a cariogenic bacterium or a periodontopathic bacterium.
(9) The method according to (8), wherein the pathogenic bacterium is Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis, Porphyromonas gingivalis, or Aggregatibacter actinomycetemcomitans.
(10) A composition for oral cavity containing an inhibitor of the production of an electron mediator produced by a bacterium having the ability to produce an electron mediator, which is present inside an oral biofilm.
(11) The composition for oral cavity according to (10), wherein the electron mediator is riboflavin.
(12) A composition for oral cavity containing an activity inhibitor against an electron transfer enzyme present in the extracellular membrane of a pathogenic bacterium present in the oral biofilm.

本発明によれば、口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御することによって、当該病原性細菌の活性を低減させることができるので、う蝕および歯周病などの口腔疾患の発症および進行を抑制することができる。また、本発明によれば、口腔バイオフィルム内の病原性細菌が関係する口腔疾患以外の全身疾患の発症および進行を抑制することも可能である。 According to the present invention, by controlling the extracellular electron transfer mechanism of pathogenic bacteria existing inside the oral biofilm, the activity of the pathogenic bacteria can be reduced, so that caries and periodontal disease, etc. The onset and progression of oral diseases can be suppressed. Further, according to the present invention, it is possible to suppress the onset and progression of systemic diseases other than oral diseases related to pathogenic bacteria in the oral biofilm.

S. mutansにおける、Rexタンパク質が媒介するNADH依存性の代謝メカニズムの模式図。Schematic diagram of NADH-dependent metabolic mechanism mediated by Rex protein in S. mutans. S. mutansを用いて得られたクロノアンペログラム(電流−時間応答)の結果。Chronoamperogram (current-time response) results obtained with S. mutans. S. mutansによるグルコース代謝の電気化学測定結果。(a)電流密度(nA/cm)の経時変化、(b)グルコース濃度(mM)の経時変化、(c)乳酸濃度(mM)の経時変化、(d)エタノール濃度(mM)の経時変化。Results of electrochemical measurement of glucose metabolism by S. mutans. (A) Current density (nA/cm 2 ) change with time, (b) Glucose concentration (mM) change with time, (c) Lactate concentration (mM) change with time, (d) Ethanol concentration (mM) change with time .. S. mutansによるグルコース代謝の電気化学測定結果。(a)OCV条件での、電圧(mV)対Ag/AgClの値の経時変化、(b)酢酸濃度(mM)の経時変化、(c)ギ酸濃度(mM)の経時変化。Results of electrochemical measurement of glucose metabolism by S. mutans. (A) Time-dependent change of voltage (mV) vs. Ag/AgCl value under OCV conditions, (b) Time-dependent change of acetic acid concentration (mM), (c) Time-dependent change of formic acid concentration (mM). グルコースの存在下におけるS. mutansによるリボフラビンの還元能を示す発光スペクトル分析の結果。The result of the emission spectrum analysis showing the reducing ability of riboflavin by S. mutans in the presence of glucose. 15NHClを用いて行った電気化学分析の結果。Results of electrochemical analysis performed using 15 NH 4 Cl. S. mutansの一細胞毎のNの同位体比(%)を計算した結果。(a)リボフラビン非存在下のOCV条件、(b)リボフラビン存在下のEET条件、(c)リボフラビン存在下のOCV条件、(d)リボフラビン非存在下のEET条件。Results of calculating the N isotope ratio (%) of each cell of S. mutans. (A) OCV conditions in the absence of riboflavin, (b) EET conditions in the presence of riboflavin, (c) OCV conditions in the presence of riboflavin, (d) EET conditions in the absence of riboflavin. 図7の各条件で得られた結果をまとめた図。FIG. 8 is a diagram summarizing the results obtained under each condition of FIG. 7. S. mutansなどの病原性細菌から電極表面への電子移動メカニズムを示す模式図。(i)細胞表面に存在するタンパク質を介する電子伝達機構、(ii)電子伝達物質(例えば、リボフラビン(RF))を介する電子伝達機構。Schematic diagram showing the electron transfer mechanism from pathogenic bacteria such as S. mutans to the electrode surface. (I) Electron transfer mechanism via protein present on cell surface, (ii) Electron transfer mechanism via electron transfer substance (for example, riboflavin (RF)). S. mutansによる直接的な電子伝達機構の存在を示す実験結果。(a)培養培地の置き換え前後の電流密度(nA/cm)の測定結果、(b)DPV分析の結果、(c)過酸化水素(H)の存在下でDABを用いたレドックス依存性染色を行ったS. mutans細胞の透過型電子顕微鏡(TEM)観察結果、(d)過酸化水素(H)の非存在下でDAB染色を行ったS. mutans細胞の透過型電子顕微鏡(TEM)観察結果。Experimental results showing the existence of a direct electron transfer mechanism by S. mutans. (A) Current density (nA/cm 2 ) measurement results before and after replacement of the culture medium, (b) DPV analysis result, (c) Redox using DAB in the presence of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Transmission electron microscope (TEM) observation results of S. mutans cells subjected to dependency staining, (d) Transmission type of S. mutans cells subjected to DAB staining in the absence of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Electron microscope (TEM) observation results. 電気化学測定後のITO電極を走査型電子顕微鏡(SEM)観察した結果。The result of observing the ITO electrode after the electrochemical measurement with a scanning electron microscope (SEM). (a)ITO電極で測定されたS. mutansによる電流生成値(μA)の時間経過、(b)図10(b)に示す、標準水素電極(SHE)に対する電位が約20mVでのレドックスピーク電流値(μA)に対して、S. mutansによる電流生成値(μA)をプロットしたグラフ。(A) Time course of current generation value (μA) by S. mutans measured at ITO electrode, (b) Redox peak current at potential of about 20 mV with respect to standard hydrogen electrode (SHE) shown in FIG. 10(b). The graph which plotted the electric current generation value (μA) by S. mutans against the value (μA). DAB染色を行ったS. mutans細胞の透過型電子顕微鏡(TEM)観察結果。(a)ポジティブコントロール条件(DAB−positive)、(b)ネガティブコントロール条件(DAB−negative)。Results of transmission electron microscope (TEM) observation of S. mutans cells stained with DAB. (A) Positive control conditions (DAB-positive), (b) Negative control conditions (DAB-negative). 過酸化水素の存在下でDAB染色処理を施したS. mutans細胞のTEM−LINEプロファイル分析結果。Results of TEM-LINE profile analysis of S. mutans cells treated with DAB in the presence of hydrogen peroxide. 過酸化水素の非存在下でDAB染色処理を施したS. mutans細胞のTEM−LINEプロファイル分析結果。Results of TEM-LINE profile analysis of S. mutans cells treated with DAB in the absence of hydrogen peroxide.

本発明の一実施形態に係る口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の活性を低減させる方法は、前記病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御することにより、前記病原性細菌の活性を低減させる。 A method of reducing the activity of a pathogenic bacterium present inside an oral biofilm according to an embodiment of the present invention is to control the activity of the pathogenic bacterium by controlling the extracellular electron transfer mechanism of the pathogenic bacterium. Reduce.

本明細書において、「口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌」とは、口腔バイオフィルムの内部に存在する細菌のうち、口腔疾患または口腔疾患以外の全身疾患(systemic diseases)の原因となる細菌をいう。口腔疾患としては、例えば、う蝕、歯周病などが挙げられる。全身疾患としては、例えば、心疾患(狭心症、心筋梗塞、弁膜症など)、脳疾患(脳梗塞など)、糖尿病(I型糖尿病、II型糖尿病)、腎疾患(糸球体腎炎、腎硬化症など)、胃疾患(胃炎、胃潰瘍など)、皮膚疾患、呼吸器感染症、菌血症、敗血症、細菌性心内膜炎、動脈硬化、関節炎、骨粗鬆症、メタボリックシンドロームなどが挙げられる。なお、本明細書において特に明記しない限り、単に「病原性細菌」と記載される場合、当該病原性細菌は、口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌であることが意図される。 In the present specification, “pathogenic bacteria present inside the oral biofilm” causes oral diseases or systemic diseases other than oral diseases among bacteria existing inside the oral biofilm. Refers to bacteria. Examples of oral diseases include dental caries and periodontal disease. Examples of systemic diseases include heart disease (angina, myocardial infarction, valvular disease, etc.), brain disease (cerebral infarction, etc.), diabetes (type I diabetes, type II diabetes), renal disease (glomerulonephritis, nephrosclerosis). Diseases, etc.), gastric diseases (gastritis, gastric ulcer, etc.), skin diseases, respiratory infections, bacteremia, sepsis, bacterial endocarditis, arteriosclerosis, arthritis, osteoporosis, metabolic syndrome and the like. Unless otherwise specified in the present specification, when simply described as “pathogenic bacterium”, the pathogenic bacterium is intended to be a pathogenic bacterium existing inside the oral biofilm.

本発明の一実施形態において、病原性細菌は、口腔疾患の原因となる細菌であり、代表的には、う蝕原性細菌および歯周病原性細菌である。う蝕原性細菌および歯周病原性細菌としては、例えば、連鎖球菌属(Streptococcus)、ポルフィロモナス属(Porphyromonas)、アグリゲイティバクター属(Aggregatibacter)の細菌が挙げられる。より具体的には、例えば、Streptococcus mutans、Streptococcus sanguinis、Porphyromonas gingivalis、Aggregatibacter actinomycetemcomitansなどが挙げられるが、これらに限定されない。 In one embodiment of the present invention, the pathogenic bacterium is a bacterium that causes oral diseases, and is typically a cariogenic bacterium and a periodontal pathogenic bacterium. Examples of the cariogenic bacteria and the periodontopathic bacteria include bacteria of the genus Streptococcus, the genus Porphyromonas, and the genus Aggregatibacter. More specific examples include, but are not limited to, Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis, Porphyromonas gingivalis, Aggregatibacter actinomycetemcomitans, and the like.

本明細書において、細菌に関して用いられる「細胞外電子伝達機構」との用語は、細菌の菌体内での電子供与体(有機物)の分解(代謝)によって発生した電子が菌体外の電子受容体(金属等)に伝達される機構を意味する。すなわち、細胞外電子伝達機構を有する細菌は、細胞外電子移動(EET:Extracellular Electron Transport)を行う能力(細胞外電子伝達能)を有する細菌であることを意味する。 In the present specification, the term "extracellular electron transfer mechanism" used for bacteria means that the electrons generated by the decomposition (metabolism) of an electron donor (organic substance) in the bacterial cell of the bacterium are extracellular electron acceptors. Means a mechanism that is transmitted to (metal, etc.). That is, a bacterium having an extracellular electron transfer mechanism means a bacterium having an ability to perform extracellular electron transfer (EET) (extracellular electron transfer ability).

従って、本発明の好ましい実施形態では、口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制することにより、前記病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御する。 Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, the extracellular electron transfer mechanism of the pathogenic bacterium is controlled by suppressing electron transfer from intracellular to extracellular of the pathogenic bacterium present inside the oral biofilm. ..

また、上述したように、口腔バイオフィルムは、病原性細菌を含む複数の微生物とそれらの産生物で構成されているため、口腔バイオフィルムの内部から外部への電子移動もまた、口腔バイオフィルム内の病原性細菌の酸化還元バランスの維持において重要なファクターであると考えられる。従って、本発明の好ましい実施形態では、口腔バイオフィルムの内部から外部への電子移動を抑制することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する。 In addition, as described above, since the oral biofilm is composed of a plurality of microorganisms containing pathogenic bacteria and their products, electron transfer from the inside of the oral biofilm to the outside also occurs in the oral biofilm. It is considered to be an important factor in maintaining the redox balance of the pathogenic bacteria. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, the electron transfer from the inside to the outside of the pathogenic bacterium is suppressed by suppressing the electron transfer from the inside to the outside of the oral biofilm.

以下で詳述するように、口腔バイオフィルム内の病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動は、リボフラビンなどの電子伝達物質によって媒介され得る。また、当該電子伝達物質は、口腔バイオフィルムの内部から外部への電子移動も媒介し得る。このことは、自然界に存在する細菌の生息環境や、細菌同士が形成するコミュニティと同様に、口腔バイオフィルムの内部においても、電子伝達物質生成能を有する細菌が存在する可能性があること、また、当該電子伝達物質生成能を有する細菌による電子伝達物質の生成を阻害することにより、口腔バイオフィルム内の病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動や、口腔バイオフィルムの内部から外部への電子移動が抑制され得ることを意味している。従って、本発明の好ましい実施形態では、口腔バイオフィルムの内部に存在する、電子伝達物質生成能を有する細菌による電子伝達物質の生成を阻害することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する。 As detailed below, intracellular to extracellular electron transfer of pathogenic bacteria within oral biofilms can be mediated by electron mediators such as riboflavin. The electron mediator may also mediate electron transfer from the interior of the oral biofilm to the exterior. This means that there is a possibility that there is a bacterium having an electron mediator-producing ability inside the oral biofilm as well as a habitat of bacteria existing in nature and a community formed between bacteria. , By inhibiting the production of electron mediators by bacteria having the ability to produce electron mediators, electron transfer from the intracellular to extracellular of pathogenic bacteria in the oral biofilm and from the inside to the outside of the oral biofilm. It means that the electron transfer of can be suppressed. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, by inhibiting the production of an electron mediator by a bacterium capable of producing an electron mediator, which is present inside the oral biofilm, from inside the cell to outside the cell of the pathogenic bacterium. Suppresses electron transfer.

なお、前記電子伝達物質生成能を有する細菌は、口腔バイオフィルム内の病原性細菌と同じであってもよく、口腔バイオフィルム内の病原性細菌とは異なる細菌であってもよい。 The bacterium having the ability to generate an electron mediator may be the same as the pathogenic bacterium in the oral biofilm, or may be a bacterium different from the pathogenic bacterium in the oral biofilm.

また、上述したように、自然界に存在する電流発生菌は、細胞外膜に発現した電子伝達酵素(シトクロムc)を介して、細胞外に存在する酸化鉄などの固体を呼吸の最終的な電子受容体として利用できることが知られている。このことは、口腔バイオフィルム内の病原性細菌が、その細胞外膜にシトクロムcまたはそれと同等の機能を有する電子伝達酵素を有している可能性があること、また、当該電子伝達酵素の活性を阻害することにより、当該病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動が抑制され得ることを意味している。従って、本発明の好ましい実施形態では、口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の細胞外膜に存在する電子伝達酵素の活性を阻害することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する。 In addition, as described above, the current-producing bacteria existing in nature, through the electron transfer enzyme (cytochrome c) expressed on the extracellular membrane, breathes solids such as iron oxide existing outside the cells into the final electrons. It is known that it can be used as a receptor. This means that the pathogenic bacteria in the oral biofilm may have cytochrome c or an electron transfer enzyme having a function equivalent to that in the extracellular membrane, and the activity of the electron transfer enzyme. Means that the electron transfer from the intracellular to the extracellular of the pathogenic bacterium can be suppressed. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, by inhibiting the activity of the electron transfer enzyme present in the extracellular membrane of the pathogenic bacterium present inside the oral biofilm, the activity of the pathogenic bacterium from inside the cell to outside the cell is reduced. Suppresses electron transfer.

本発明の一実施形態に係る口腔用組成物は、口腔バイオフィルムの内部に存在する、電子伝達物質生成能を有する細菌によって生成される電子伝達物質の生成阻害剤を含有する。電子伝達物質としては、例えば、リボフラビンが挙げられるが、これに限定されない。本発明においては、口腔バイオフィルムの内部に存在する細菌によって生成される物質であって、口腔バイオフィルム内の病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動、および/または口腔バイオフィルムの内部から外部への電子移動に関与することが確認された電子伝達物質を対象とすることができ、当該電子伝達物質の生成阻害剤を適宜選択することができる。このような生成阻害剤は、細菌による当該電子伝達物質の生合成経路を阻害する薬剤であり得る。 An oral composition according to an embodiment of the present invention contains an electron mediator production inhibitor produced by a bacterium having an electron mediator-producing ability, which is present inside an oral biofilm. Examples of electron mediators include, but are not limited to, riboflavin. In the present invention, a substance produced by bacteria present inside the oral biofilm, wherein electron transfer of pathogenic bacteria from the inside of the oral biofilm to the outside of the cell and/or inside of the oral biofilm. It is possible to target an electron mediator confirmed to be involved in the electron transfer from the outside to the outside, and a production inhibitor of the electron mediator can be appropriately selected. Such a production inhibitor may be an agent that inhibits the biosynthetic pathway of the electron mediator by bacteria.

本発明の一実施形態に係る口腔用組成物は、口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の細胞外膜に存在する電子伝達酵素に対する活性阻害剤を含有する。電子伝達酵素としては、例えば、シトクロムcが挙げられるが、これに限定されない。本発明においては、口腔バイオフィルム内の病原性細菌の細胞外膜に存在することが確認された電子伝達酵素(電子伝達タンパク質)を対象とすることができ、当該電子伝達酵素の活性阻害剤を適宜選択することができる。 An oral composition according to an embodiment of the present invention contains an activity inhibitor against an electron transfer enzyme present in the extracellular membrane of a pathogenic bacterium present inside an oral biofilm. Examples of the electron transfer enzyme include, but are not limited to, cytochrome c. In the present invention, an electron transfer enzyme (electron transfer protein) confirmed to be present in the extracellular membrane of a pathogenic bacterium in the oral biofilm can be targeted, and an activity inhibitor of the electron transfer enzyme can be used. It can be appropriately selected.

なお、本明細書において、電子伝達酵素に関して用いられる「活性を阻害する」、「活性の阻害」との記載は、対象の酵素が有する、病原性細菌の細胞内から細胞外への電子伝達を媒介する作用を阻害することを意味し、「活性阻害剤」との用語は、当該電子伝達媒介作用を阻害する薬剤を意味する。 In the present specification, the terms “inhibit activity” and “inhibition of activity” used with respect to an electron transfer enzyme mean that the enzyme of interest has an electron transfer from intracellular to extracellular of a pathogenic bacterium. The term “activity inhibitor” means an agent that inhibits the electron transfer mediated effect.

本発明の口腔用組成物の形態は特に制限されず、例えば、液体、固体、ゲル、およびペースト等の半固体等の形態が例示され、具体的には、洗口液、液体歯磨き、口中清涼剤、うがい薬(含嗽剤)、液状歯磨き、および練り歯磨きなどの歯磨き類、うがい薬(含嗽剤)、トローチ、およびチューインガム等の形態とすることができる。これらは公知の手段により製剤とすることができる。 The form of the oral composition of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include liquids, solids, gels, semisolids such as pastes, and the like, and specifically, mouthwash, liquid toothpaste, mouth freshener. It may be in the form of an agent, a mouthwash (gargle), a toothpaste such as a liquid toothpaste and a toothpaste, a mouthwash (gargle), a troche, and a chewing gum. These can be made into a formulation by a known means.

以下、本発明の具体的な実施形態について、口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌がS. mutansである場合を例にして説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described by taking as an example the case where the pathogenic bacterium existing inside the oral biofilm is S. mutans.

<口腔バイオフィルム内の病原性細菌の細胞外電子伝達能の評価>
S. mutans(UA159株)は、口腔バイオフィルム内に存在する代表的な病原性細菌であり、Rexタンパク質を有していることが知られている。Rexタンパク質は、レドックスセンサーであり、エネルギー代謝の初期調節メカニズムに関与する遺伝子に結合することによって、DNA転写抑制因子として作用する。図1に示すように、Rexタンパク質は、細胞質のNADH/NAD+の比率が低い場合には、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ(pdhAB)の転写を抑制して乳酸発酵経路を促進する。一方、NADH/NAD+の比率が高い場合には、標的遺伝子に対するRexタンパク質の結合が阻害されるため、エタノール生成経路が促進される。そのため、NAD+に対してNADHが過剰であるかどうかの指標として、グルコース酸化によって生成されるエタノールの量を利用することによって、実験系の電気化学システムにおける電子移動を定量的に評価することができる。
<Evaluation of extracellular electron transfer ability of pathogenic bacteria in oral biofilm>
S. mutans (UA159 strain) is a typical pathogenic bacterium present in the oral biofilm, and is known to have a Rex protein. The Rex protein is a redox sensor, and acts as a DNA transcriptional repressor by binding to a gene involved in the early regulation mechanism of energy metabolism. As shown in FIG. 1, Rex protein suppresses the transcription of pyruvate dehydrogenase (pdhAB) and promotes the lactic acid fermentation pathway when the ratio of cytoplasmic NADH/NAD+ is low. On the other hand, when the ratio of NADH/NAD+ is high, the binding of Rex protein to the target gene is inhibited, so that the ethanol production pathway is promoted. Therefore, the electron transfer in the experimental electrochemical system can be quantitatively evaluated by using the amount of ethanol produced by glucose oxidation as an indicator of whether NADH is in excess of NAD+. ..

また、自然界に存在する細菌に関するこれまでの研究において、細胞内の還元エネルギーを細胞外に運び金属の還元を行う電子伝達物質(「電子シャトル(electron shuttle)」とも呼ばれる。)として機能する物質が存在することが知られており、その代表例として、リボフラビン(riboflavin)が挙げられる。なお、リボフラビンは、ビタミンB(Vitamin B2)とも呼ばれ、ビタミンの中で水溶性ビタミンに分類される生理活性物質であり、ヒトの体内では、微生物によって生合成されることが知られている。 In addition, in the previous research on bacteria existing in nature, substances that function as electron mediators (also called “electron shuttles”) that carry intracellular reduction energy to the outside of cells and reduce metals are found. It is known to exist, and a typical example thereof is riboflavin. Riboflavin, also called vitamin B 2 (Vitamin B 2 ), is a physiologically active substance classified as a water-soluble vitamin among vitamins, and is known to be biosynthesized by microorganisms in the human body. There is.

そのため、リボフラビンなどの電子伝達物質を併用して細胞外電子伝達能を評価することによって、目的の病原性細菌の細胞外電子伝達能に関するより詳細な知見を得ることができ、その活性の調節(低減)に有効な手法を効率よく選択することが可能となる。以下では、病原性細菌としてS. mutans(UA159株)を用い、S. mutansの細胞外電子伝達能、およびS. mutansによる電子シャトルとしてのリボフラビンの利用能の評価手法およびその結果について、具体的に説明する。 Therefore, by evaluating the extracellular electron transfer ability in combination with an electron transfer substance such as riboflavin, it is possible to obtain more detailed knowledge regarding the extracellular electron transfer ability of the target pathogenic bacterium and regulate its activity ( It is possible to efficiently select an effective method. In the following, S. mutans (strain UA159) was used as a pathogenic bacterium, and a method for evaluating the extracellular electron transfer ability of S. mutans and the utilization ability of riboflavin as an electron shuttle by S. mutans and the results thereof are described in detail. Explained.

<細胞培養物の調製>
ATCC(American Type Culture Collection)から入手したS. mutans(UA159株)を、ブチルゴム栓をしたバイアル内で、20mLのブレインハートインフュージョン(BHI)培地中で、37℃で前培養した。バイアル内のヘッドスペースは、対数増殖期の後期に達するまでCO/N(20:80 v/v)を充填して無酸素状態とした。このときの波長600nmにおける吸光度(OD600)は1.0であり、培地のpHは4.6±0.2まで低下した。得られた培養物を、7800rpm、37℃で10分間遠心分離し、得られた細胞ペレットを合成培地(DM)で2回洗浄した。なお、合成培地は、一般に知られている手法を一部改良して調製した。合成培地の成分組成(1リットル当たり)は、以下の通りである:NaHCO 2.5g;CaCl・2HO 0.09g;NHCl 1.0g;MgCl・6HO 0.2g;NaCl 10g;HEPES 7.2g;酵母抽出物 0.5g。
<Preparation of cell culture>
S. mutans (strain UA159) obtained from ATCC (American Type Culture Collection) was precultured at 37° C. in 20 mL of Brain Heart Infusion (BHI) medium in a vial having a butyl rubber stopper. Headspace in the vial is filled with until a late logarithmic growth phase CO 2 / N 2 (20:80 v / v) was anoxic. At this time, the absorbance (OD 600 ) at a wavelength of 600 nm was 1.0, and the pH of the medium was lowered to 4.6±0.2. The obtained culture was centrifuged at 7800 rpm and 37° C. for 10 minutes, and the obtained cell pellet was washed twice with synthetic medium (DM). The synthetic medium was prepared by partially improving a commonly known method. The composition of the synthetic medium (per liter) is as follows: NaHCO 3 2.5 g; CaCl 2 .2H 2 O 0.09 g; NH 4 Cl 1.0 g; MgCl 2 .6H 2 O 0.2 g. NaCl 10 g; HEPES 7.2 g; yeast extract 0.5 g.

<電気化学分析(ホールセル法)>
作用極、対極、参照極で構成される3電極システムを備えた測定装置(シングルチャンバー)を用いて、電気化学測定を行った。作用極のスズドープ酸化インジウム(ITO)は、スプレー熱分解法による薄膜形成装置(SPD Laboratory社製)を用いてガラス基板上に成膜し、測定装置の底部に設置した(抵抗値 8Ω/□;厚さ 1.1mm;表面積 3.14cm)。対極および参照極としては、それぞれ、白金ワイヤおよびAg/AgCl(KClsat)を用いた。
この電気化学セルに、電解質(電子供与体(electron donor))として10mMのグルコースを添加した合成培地(4.8mL)、またはグルコースを添加した合成培地に電子受容体(electron acceptor)として10μMのリボフラビン(RF)を追加した培地(4.8mL)を注入し、セル内の溶液をNガスで少なくとも15分間パージして、溶存酸素を除去した。次いで、合成培地で前洗浄したS. mutansを用いて新たに調製した細胞懸濁液0.2mL(600nmでの光学濃度(OD):2.5)を注入し、標準水素電極(SHE)を基準としてITO電極の電位差を+0.4Vとする定電位条件で、最終のOD600を0.1とした。電気化学測定中、測定装置の温度は37℃に維持し、装置の振とうや溶液の撹拌は行わなかった。
<Electrochemical analysis (whole cell method)>
Electrochemical measurements were performed using a measuring device (single chamber) equipped with a three-electrode system composed of a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode. The tin-doped indium oxide (ITO) of the working electrode was formed on a glass substrate using a thin film forming apparatus (made by SPD Laboratory) by a spray pyrolysis method, and was placed at the bottom of the measuring device (resistance value 8Ω/□; Thickness 1.1 mm; surface area 3.14 cm 2 ). A platinum wire and Ag/AgCl (KCl sat ) were used as the counter electrode and the reference electrode, respectively.
10 μM riboflavin as an electron acceptor was added to a synthetic medium containing glucose (10 mM) as an electrolyte (electron donor) added to this electrochemical cell (4.8 mL). A medium (4.8 mL) supplemented with (RF) was injected, and the solution in the cell was purged with N 2 gas for at least 15 minutes to remove dissolved oxygen. Then, 0.2 mL of cell suspension (optical density (OD) at 600 nm: 2.5) newly prepared using S. mutans prewashed with synthetic medium was injected, and a standard hydrogen electrode (SHE) was applied. As a reference, the final OD 600 was set to 0.1 under the constant potential condition where the potential difference of the ITO electrode was +0.4V. During the electrochemical measurement, the temperature of the measuring device was maintained at 37° C., and the device was not shaken or the solution was not stirred.

対照として、グルコースおよびリボフラビンを含まない無菌培地(sterile medium)、および10μMのリボフラビンを添加した無菌培地を用い、同様の電気化学分析を行った。
また、比較試験として、電極が電子を受け取らない状態とする開路電圧(OCV;Open Circuit Voltage)条件で、同様の電気化学分析を行った。
As a control, the same electrochemical analysis was carried out using a sterile medium containing no glucose and riboflavin (sterile medium) and a sterile medium supplemented with 10 μM riboflavin.
In addition, as a comparative test, the same electrochemical analysis was performed under an open circuit voltage (OCV; Open Circuit Voltage) condition in which the electrodes did not receive electrons.

自動分極システム(VMP3、Bio Logic Company社製)を用いて、クロノアンペロメトリー測定および微分パルスボルタンメトリー(DPV)測定を行った。DPVの測定条件は、以下の通りである:SHEを基準とする電位差 −0.6V〜+0.7V、パルス高さ 50mV、パルス幅 0.3s、電位ステップ 5mV/s、ステップ時間 5s。微分パルスボルタモグラムにおけるデータ分析には、オープンソースソフトウェアであるSOASソフトウェアを使用した。 Chronoamperometry measurement and differential pulse voltammetry (DPV) measurement were performed using an automatic polarization system (VMP3, manufactured by Bio Logic Company). The measurement conditions of DPV are as follows: potential difference based on SHE: −0.6 V to +0.7 V, pulse height 50 mV, pulse width 0.3 s, potential step 5 mV/s, step time 5 s. The open source software SOAS software was used for data analysis in the differential pulse voltammogram.

<グルコースおよび代謝産物の濃度の定量>
測定装置から8時間おきに約200μLのアリコートを回収し、孔径0.22μmのフィルターを通して細胞を取り除いたろ液を−20℃で保管し、分析に供した。グルコース濃度は、グルコースアッセイキット(GAGO−20、Sigma−Aldrich製)を用いて測定した。代謝産物の測定では、上記のろ液を蒸留水で100倍に希釈し、pHを8.0に調整したものを試料として用いた。乳酸、酢酸、ギ酸の濃度は、イオンクロマトグラフィーシステム(HIC−20Asuper、Shimadzu社製)を用いて測定した。試料の注入量は50μLとし、ノンサプレッサ方式で陰イオン測定を行った。分析カラムおよびガードカラムは、それぞれ、Shim−pack IC−A3、およびShim−pack IC−GA3(いずれもShimadzu社製)を用いた。移動相には8mM p−ヒドロキシ安息香酸、3.2mM Bis−Trisおよび50mM ボロン酸を含有させ、流速は1.2mL/minとした。カラム温度は40℃に維持し、検出器(CDD−10ASP)のパラメーターは当該システムの取扱説明書に記載の通りに設定した。ピーク面積の分析は、Shimadzu社より提供された分析用ワークステーションソフトウェア(LabSolutions)を用いて行った。酢酸、乳酸およびギ酸の溶離時間は、それぞれ、約2.4分、約3.25分、約3.4分であり、検量線は十分に高い直線性(R=0.999)を示した。なお、イオンクロマトグラフィー分析では、乳酸、酢酸およびギ酸以外の代謝産物は検出されなかった。
<Determination of glucose and metabolite concentrations>
Approximately 200 μL aliquots were collected from the measuring device every 8 hours, and the filtrate from which cells were removed through a filter having a pore size of 0.22 μm was stored at −20° C. and used for analysis. The glucose concentration was measured using a glucose assay kit (GAGO-20, manufactured by Sigma-Aldrich). In the measurement of metabolites, the above filtrate was diluted 100 times with distilled water and the pH was adjusted to 8.0, which was used as a sample. The concentrations of lactic acid, acetic acid, and formic acid were measured using an ion chromatography system (HIC-20Asuper, manufactured by Shimadzu). The injection amount of the sample was set to 50 μL, and the anion measurement was performed by the non-suppressor method. As the analysis column and the guard column, Shim-pack IC-A3 and Shim-pack IC-GA3 (all manufactured by Shimadzu) were used. The mobile phase contained 8 mM p-hydroxybenzoic acid, 3.2 mM Bis-Tris and 50 mM boronic acid, and the flow rate was 1.2 mL/min. The column temperature was maintained at 40° C. and the parameters of the detector (CDD-10A SP ) were set as described in the operating instructions for the system. Analysis of peak areas was performed using analytical workstation software (LabSolutions) provided by Shimadzu. The elution times of acetic acid, lactic acid, and formic acid were about 2.4 minutes, about 3.25 minutes, and about 3.4 minutes, respectively, and the calibration curve showed sufficiently high linearity (R 2 =0.999). It was By ion chromatography analysis, metabolites other than lactic acid, acetic acid and formic acid were not detected.

<重クロム酸の酸性溶液を用いた滴定によるエタノール産生量の分析>
重クロム酸の酸性溶液を用いる標準的な滴定法を一部変更して、試料中のエタノール濃度を測定した。滴定に用いる溶液は以下のようにして調製した。
(1)重クロム酸溶液(5.0mol/L 硫酸中、0.01mol/L):125mLの水を500mLのコニカルフラスコに入れ、一定の速度で旋回させながら70mLの濃硫酸をゆっくりと滴下する。フラスコを冷却した後、0.75gの重クロム酸カリウム(KCr)を加え、この混合物を蒸留水で250mLに希釈する。
(2)デンプン溶液(指示薬溶液;1.0%):100mLの沸騰水に1.0gの可溶性デンプンを添加し、溶解するまで撹拌する。
(3)チオ硫酸ナトリウム溶液(Na・5HO;0.03mol/L):7.44gのNa・5HOを1Lのメスフラスコに入れ、蒸留水に溶解させて1L溶液とする。
(4)ヨウ化カリウム溶液(KI;1.2mol/L):25mLの水に5gのKIを溶解させる。
<Analysis of ethanol production by titration using an acidic solution of dichromic acid>
The standard titration method using an acidic solution of dichromic acid was partially modified to measure the ethanol concentration in the sample. The solution used for titration was prepared as follows.
(1) Dichromic acid solution (0.01 mol/L in 5.0 mol/L sulfuric acid): 125 mL of water is put into a 500 mL conical flask, and 70 mL of concentrated sulfuric acid is slowly added dropwise while swirling at a constant speed. .. After cooling the flask, 0.75 g of potassium dichromate (K 2 Cr 2 O 7 ) is added and the mixture is diluted with distilled water to 250 mL.
(2) Starch solution (indicator solution; 1.0%): Add 100 g of soluble starch to 100 mL of boiling water and stir until dissolved.
(3) Sodium thiosulfate solution (Na 2 S 2 O 3 .5H 2 O; 0.03 mol/L): 7.44 g of Na 2 S 2 O 3 .5H 2 O was added to a 1 L volumetric flask, and distilled water was added. Dissolve into 1 L solution.
(4) Potassium iodide solution (KI; 1.2 mol/L): Dissolve 5 g of KI in 25 mL of water.

10mLの重クロム酸溶液を50mLファルコンチューブに移した。試料を蒸留水で1:50に希釈し、希釈した試料液から1mLをピペットでエッペンドルフチューブに取り、このサンプルチューブを、重クロム酸溶液が入ったファルコンチューブ内に設けた試料ホルダに置いて、37℃に設定したインキュベーター内で一晩保管した。その後、ファルコンチューブを室温に冷却し、ゆっくりとキャップを緩めて試料ホルダを取り出した。ファルコンチューブの壁面を蒸留水でリンスし、約100mLの蒸留水および1mLのヨウ化カリウム溶液を加え、チューブを旋回させて内容物を混合した。チオ硫酸ナトリウム溶液で満たしたビュレットを用いて、各チューブの試料液の滴定を行った。ヨウ素の褐色が黄色に薄くなったとき、1mLのデンプン溶液を添加し、青色が消失するまで滴定を続けた。ブランクテストを行うことにより、アルコールの添加がない場合の重クロム酸の量を測定した。試料液およびブランクテストの溶液(ブランク溶液)の滴定に要したチオ硫酸ナトリウム溶液の平均体積を算出し、試料液の滴定における値からブランク溶液の滴定における値を除算して得た値を用いて、チオ硫酸ナトリウムのモル数を計算し、アルコール濃度を決定した。チオ硫酸ナトリウムのモル数と、エタノールのモル数の関係は、以下のようにして計算した:6molのS 2−は、1molのCr 2−と等価であり、2molのCr 2−は、3molのCOHと等価である。従って、1molのS 2−は、0.25molのCOHと等価である。 10 mL of dichromic acid solution was transferred to a 50 mL Falcon tube. Dilute the sample 1:50 with distilled water, pipette 1 mL from the diluted sample solution into an Eppendorf tube, place this sample tube in the sample holder provided in the Falcon tube containing the dichromic acid solution, It was stored overnight in an incubator set at 37°C. Then, the Falcon tube was cooled to room temperature, the cap was slowly loosened, and the sample holder was taken out. The wall surface of the Falcon tube was rinsed with distilled water, about 100 mL of distilled water and 1 mL of potassium iodide solution were added, and the tube was swirled to mix the contents. The sample solution in each tube was titrated using a burette filled with a sodium thiosulfate solution. When the brown color of iodine turned yellow to yellow, 1 mL of starch solution was added and the titration was continued until the blue color disappeared. A blank test was performed to measure the amount of dichromic acid in the absence of added alcohol. Calculate the average volume of the sodium thiosulfate solution required for the titration of the sample solution and the blank test solution (blank solution), and use the value obtained by dividing the value in the titration of the sample solution by the value in the titration of the sample solution. , The molar number of sodium thiosulfate was calculated, and the alcohol concentration was determined. The relationship between the number of moles of sodium thiosulfate and the number of moles of ethanol was calculated as follows: 6 mol S 2 O 3 2− is equivalent to 1 mol Cr 2 O 7 2− and 2 mol Cr. 2 O 7 2− is equivalent to 3 mol of C 2 H 5 OH. Therefore, 1 mol of S 2 O 3 2− is equivalent to 0.25 mol of C 2 H 5 OH.

図2は、クロノアンペログラム(電流−時間応答)の結果である。図2中、「SM added」との記載は、矢印で示した時点でS. mutansの細胞懸濁液を注入したことを表す。また、「10mM Glucose」との記載は、矢印で示した時点で10mMのグルコースを注入したことを表す。なお、本実験系では、S. mutansを注入する前の合成培地には、グルコースおよびその他の電解質は含まれておらず、10μMのリボフラビンが添加されている。 FIG. 2 is a result of the chronoamperogram (current-time response). In FIG. 2, the description “SM added” means that the cell suspension of S. mutans was injected at the time point indicated by the arrow. Further, the description “10 mM Glucose” means that 10 mM glucose was injected at the time indicated by the arrow. In this experimental system, glucose and other electrolytes were not contained in the synthetic medium before S. mutans injection, but 10 μM riboflavin was added.

S. mutansの注入後、電流値は約0.06μAで安定し、グルコースを注入した直後に0.10μAを超える値まで電流値が急激に上昇した。このことは、S. mutansが、グルコースを酸化することによって電流を発生させる能力を有していることを示している。 After the injection of S. mutans, the current value was stable at about 0.06 μA, and immediately after the injection of glucose, the current value rapidly increased to a value exceeding 0.10 μA. This indicates that S. mutans has the ability to generate an electric current by oxidizing glucose.

図3(a)は、電流密度(nA/cm)の経時変化である。図3(a)中、「SM added」との記載は、矢印で示した時点でS. mutansの細胞懸濁液を注入したことを表す。
対照の無菌培地を用いた場合には、リボフラビンの存在下(Sterile medium w/ RF)および非存在下(Sterile medium)のいずれも、S. mutansの添加による電流密度の変化は見られなかった。一方、電子供与体として10mMのグルコースを添加した合成培地を用いた場合(EET)には、リボフラビンの非存在下で、約30nA/cmの電流密度を示した。また、リボフラビンの存在下(RF EET)では、リボフラビンの非存在下よりも早いタイミングで電流密度の上昇が見られ、その最大値は約40nA/cmであった。
また、図3(b)〜図3(d)に示すように、グルコースを添加した合成培地を用いた場合(EET)、グルコースおよびリボフラビンを添加した合成培地を用いた場合(RF EET)、OCV条件でグルコースを添加した合成培地を用いた場合(OCV)、OCV条件でグルコースおよびリボフラビンを添加した合成培地を用いた場合(RF OCV)のいずれも、電流の発生に伴い、グルコース濃度は低下し(図3(b))、有意な量の乳酸の産生が確認された(図3(c))が、エタノールの生成は確認されなかった(図3(d))。
なお、図3(b)、3(c)においては、各条件とグラフとの対応関係を、(1)〜(4)の符号を用いて示している。後述する図4(b)、図4(c)、図8についても同様である。
FIG. 3A is a time-dependent change in current density (nA/cm 2 ). In FIG. 3( a ), the description “SM added” means that the cell suspension of S. mutans was injected at the time indicated by the arrow.
When the control sterile medium was used, no change in the current density due to the addition of S. mutans was observed in the presence (Sterile medium w/ RF) and the absence (Sterile medium) of riboflavin. On the other hand, when a synthetic medium supplemented with 10 mM glucose as an electron donor was used (EET), a current density of about 30 nA/cm 2 was shown in the absence of riboflavin. Further, in the presence of riboflavin (RF EET), the current density increased at an earlier timing than in the absence of riboflavin, and the maximum value was about 40 nA/cm 2 .
Further, as shown in FIGS. 3(b) to 3(d), when a synthetic medium containing glucose (EET), a synthetic medium containing glucose and riboflavin (RF EET) is used, OCV In both cases of using a synthetic medium containing glucose under the conditions (OCV) and using a synthetic medium containing glucose and riboflavin under the OCV conditions (RF OCV), the glucose concentration decreased with the generation of current. (FIG. 3(b)), production of a significant amount of lactic acid was confirmed (FIG. 3(c)), but production of ethanol was not confirmed (FIG. 3(d)).
3(b) and 3(c), the correspondence between each condition and the graph is indicated by using the symbols (1) to (4). The same applies to FIG. 4B, FIG. 4C, and FIG. 8 described later.

これらの結果は、S. mutansの添加後、培地中のグルコースの酸化によって乳酸が産生されるとともに、電極表面に電子が伝達されることにより電流が発生したことを意味している。従って、S. mutansが、細胞外電子伝達能を有することが実証された。 These results mean that after the addition of S. mutans, lactic acid was produced by the oxidation of glucose in the medium, and an electric current was generated by the transfer of electrons to the electrode surface. Therefore, it was demonstrated that S. mutans has extracellular electron transfer ability.

このように、電子供与体としてのグルコースが存在する環境は、S. mutansにとって、細胞外電子移動(EET)を行うことが可能な環境であるということができる。そのため、以下では、グルコースを含む培地を用いた条件を、便宜的に「EET条件」とも称する。 Thus, it can be said that the environment in which glucose is present as an electron donor is an environment in which S. mutans can perform extracellular electron transfer (EET). Therefore, hereinafter, the conditions using the medium containing glucose are also referred to as “EET conditions” for convenience.

これまでの研究により、自然界に存在する電流発生菌では、上記と同様の実験系において、10〜100μA/cmの電流密度が得られることが確認されている。この値と比べると、S. mutansの細胞外電子伝達機構によって発生し得る電流値は、微生物燃料電池等で用いられる電流発生菌による電流値の約100分の1程度の微小なものであるといえる。
すなわち、本発明によって活性が低減される病原性細菌は、一般に電流発生菌として知られているシュワネラ属(Shewanella)細菌、ジオバクター属(Geobacter)細菌等と比べて、細胞外電子伝達機構によって細胞内から細胞外へ移動する電子の量が少ない場合があることに留意されたい。
しかしながら、このような少量の電子移動に起因する微小な電流の発生が、S. mutansによる乳酸発酵の促進とエタノール生成の抑制に有意に関係していることに加え、S. mutansの細胞内の還元エネルギーの緩和に有意に寄与しているという事実は、本発明者等による新たな知見であり、本発明の根幹をなす技術的思想である。
From the studies so far, it has been confirmed that current-producing bacteria existing in nature can obtain current densities of 10 to 100 μA/cm 2 in the same experimental system as described above. Compared with this value, the current value that can be generated by the extracellular electron transfer mechanism of S. mutans is about 100 times smaller than the current value by the current-producing bacteria used in microbial fuel cells and the like. I can say.
That is, the pathogenic bacterium whose activity is reduced by the present invention is intracellular by an extracellular electron transfer mechanism as compared with Shewanella genus (Shewanella) bacterium and Geobacter genus (Geobacter) bacterium which are generally known as current-producing bacteria. Note that the amount of electrons transferred from the cell to the outside of the cell may be small.
However, the generation of minute electric currents due to such small amount of electron transfer is significantly related to the promotion of lactic acid fermentation by S. mutans and the inhibition of ethanol production. The fact that it significantly contributes to the relaxation of the reduction energy is a new finding by the present inventors and is a technical idea that forms the basis of the present invention.

<口腔バイオフィルム内の病原性細菌による電子伝達物質の利用能の評価>
以下、上記の実験系による電気化学分析の結果について、より詳細に説明する。
電気化学測定の開始から5時間を超えると、EET条件での電流密度の値は飽和に達し(図3(a))、その後電流密度が低下するにつれて、グルコースの消費速度および乳酸の産生速度も低下した(図3(b)、図3(c))。
一方、電気化学測定の開始から24時間が経過しても、EET条件ではエタノールの生成はほとんど見られず(図3(d))、酢酸およびギ酸の生成量はごくわずかであった(図4(b)、図4(c))。
これらの結果から、S. mutansの細胞外電子伝達機構が、乳酸発酵およびグルコース酸化と相関関係を有することが示唆された。
<Evaluation of availability of electron mediator by pathogenic bacteria in oral biofilm>
Hereinafter, the results of the electrochemical analysis by the above experimental system will be described in more detail.
After 5 hours from the start of the electrochemical measurement, the value of the current density under the EET condition reached saturation (FIG. 3(a)), and as the current density subsequently decreased, the glucose consumption rate and the lactate production rate also increased. It decreased (Fig. 3(b), Fig. 3(c)).
On the other hand, even after 24 hours from the start of the electrochemical measurement, almost no ethanol production was observed under EET conditions (FIG. 3(d)), and the production amounts of acetic acid and formic acid were very small (FIG. 4). (B), FIG. 4(c)).
These results suggest that the extracellular electron transfer mechanism of S. mutans has a correlation with lactic acid fermentation and glucose oxidation.

対照的に、OCV条件で、電流の生成がゼロになるように維持した場合には、電気化学測定の開始後8時間の時点で、6mMのエタノールの生成が確認され(図3(d))、グルコース濃度の経時変化の傾向は、EET条件での結果とほぼ同様であり(図3(b))、乳酸濃度については、電気化学測定の開始から8時間までは増加した後、減少傾向を示した(図3(c))。
乳酸産生と比較して、エタノールの生成によってより多くのNAD+が再生されることを考慮すると、OCV条件では、Rex遺伝子が、NADH量が多いことを検知し、エタノールの生成を促進することでNAD+の生成を促していると考えられる。
In contrast, under OCV conditions, when the current generation was maintained at zero, 6 mM ethanol production was confirmed 8 hours after the start of the electrochemical measurement (FIG. 3(d)). The tendency of the change in glucose concentration with time is almost the same as the result under the EET condition (FIG. 3(b)), and the lactate concentration increases from the start of the electrochemical measurement to 8 hours and then decreases. It was shown (FIG.3(c)).
Considering that more NAD+ is regenerated by the production of ethanol as compared with lactic acid production, under OCV conditions, the Rex gene detects that the amount of NADH is high, and promotes the production of NAD+ by promoting the production of ethanol. It is thought to be promoting the generation of.

従って、これらの結果は、本実験系で確認された電流の発生はNAD+の再生と関連しており、細胞外電子伝達機構がS. mutansにおける乳酸産生に寄与していることを示している。 Therefore, these results indicate that the generation of current confirmed in this experimental system is associated with the regeneration of NAD+, and that the extracellular electron transfer mechanism contributes to lactate production in S. mutans.

一方、EET条件で、リボフラビンの存在下での電流密度は、電気化学測定の開始後20時間においても、最大値の60%以上を維持しており(図3(a))、前駆体のギ酸の生成率は、電気化学測定の開始後8時間において、当初のグルコース濃度(10mM)の5%未満、すなわち、0.5mM未満であった(図4(c))。
このことは、本実験系で確認された電流の発生は、発酵で生じた水素の酸化によって支配されているのではなく、電子授受のプロセス(electron shuttling process)と関連していることを示している。
On the other hand, under EET conditions, the current density in the presence of riboflavin was maintained at 60% or more of the maximum value even after 20 hours from the start of the electrochemical measurement (FIG. 3(a)), and the precursor formic acid was used. The production rate was less than 5% of the initial glucose concentration (10 mM), that is, less than 0.5 mM, 8 hours after the start of the electrochemical measurement (FIG. 4(c)).
This indicates that the generation of electric current confirmed in the present experimental system is related to the electron shuttling process, not controlled by the oxidation of hydrogen produced by fermentation. There is.

図5は、グルコースの存在下におけるS. mutansによるリボフラビンの還元能を示す、発光スペクトル分析の結果である。発光スペクトル測定は嫌気条件のキュベット中で行い、励起波長は450nmとした。
10μMのリボフラビンの530nmにおける蛍光強度を基準として(A)、OD600=0.1となるようにS. mutansを添加し(B)、その後、10mMのグルコースを添加するにつれて(C)、リボフラビンの530nmの蛍光強度は有意に減少した。
この結果は、リボフラビンが酸化されていること(酸化型のリボフラビンが生成していること)を示しており、このリボフラビンの酸化が、S. mutansによるものであること、また、S. mutansによるグルコース酸化と関連付けられることを示している。
なお、図5中、「DM」は、合成培地の発光スペクトルである。
FIG. 5 shows the results of emission spectrum analysis showing the ability of S. mutans to reduce riboflavin in the presence of glucose. The emission spectrum was measured in a cuvette under anaerobic conditions, and the excitation wavelength was 450 nm.
Based on the fluorescence intensity of 10 μM riboflavin at 530 nm as a standard (A), S. mutans was added so that OD 600 =0.1 (B), and then 10 mM glucose was added (C), so that riboflavin The fluorescence intensity at 530 nm was significantly reduced.
This result shows that riboflavin is oxidized (oxidized riboflavin is produced), and that the oxidation of riboflavin is due to S. mutans, and glucose due to S. mutans It has been shown to be associated with oxidation.
In FIG. 5, “DM” is the emission spectrum of the synthetic medium.

ここで、リボフラビンの非存在下での、OCV条件で得られた結果に着目すると(図3(c)、図3(d))、OCV条件でも、リボフラビンの還元が代謝経路に対して一定の影響を与えていることが分かる。このことは、少量の電子の移動が、細胞質のNADH/NAD+の比率に有意な影響を及ぼすことを示している。 Here, focusing on the results obtained under the OCV condition in the absence of riboflavin (FIG. 3(c), FIG. 3(d)), even under the OCV condition, the reduction of riboflavin is constant with respect to the metabolic pathway. You can see that it has an influence. This indicates that a small amount of electron transfer has a significant effect on the cytoplasmic NADH/NAD+ ratio.

OCV条件における代謝産物の測定結果の経時変化を、リボフラビンの存在下および非存在下で比較すると、リボフラビンの存在下では、エタノール生成率は電気化学測定の開始後8時間において50%増加し(図3(d))、乳酸産生は電気化学測定の開始後8時間を超えると大きく低下した(図3(c))。一方、グルコース消費率は、リボフラビンの存在下および非存在下では有意な差は見られなかった(図3(b))。乳酸の消費によってNADHが生じることを考慮すると、S. mutansは、細胞内に還元エネルギーを蓄積していると考えられる。また、リボフラビンの非存在下の場合と比べて、リボフラビンの存在下でのS. mutansの添加に伴って、電流値をゼロに維持するのに要する電極電位は、急激に負電位へシフトした(図4(a))。このことは、リボフラビンが、S. mutansの細胞内から細胞外への還元エネルギーの排出を促進していることを示している。 Comparing the time course of the measurement results of metabolites under OCV conditions in the presence and absence of riboflavin, the ethanol production rate increased by 50% in the presence of riboflavin at 8 hours after the start of the electrochemical measurement (Fig. 3(d)), lactic acid production was significantly reduced more than 8 hours after the start of electrochemical measurement (FIG. 3(c)). On the other hand, the glucose consumption rate was not significantly different in the presence and absence of riboflavin (Fig. 3(b)). Considering that NADH is produced by the consumption of lactic acid, S. mutans is considered to accumulate reducing energy in cells. In addition, as compared with the case of the absence of riboflavin, the electrode potential required to maintain the current value at zero was rapidly shifted to the negative potential with the addition of S. mutans in the presence of riboflavin ( FIG. 4(a)). This indicates that riboflavin promotes the excretion of reducing energy from inside the cell of S. mutans.

リボフラビンは、成長培地における必須の栄養素であると考えられているが、本発明者等による実験条件では、電解質自体が十分な量の酵母抽出物を含んでいる(リボフラビン含有量は3nM未満)ので、リボフラビンの有無による影響は、リボフラビンが電子を受容する能力に起因するものであると言える。 Riboflavin is considered to be an essential nutrient in the growth medium, but under the experimental conditions of the present inventors, the electrolyte itself contains a sufficient amount of yeast extract (the content of riboflavin is less than 3 nM). It can be said that the effect of the presence or absence of riboflavin is due to the ability of riboflavin to accept electrons.

これらの結果から、リボフラビンの非存在下のOCV条件では、NADH/NAD+の比率が高く、そのため、このような条件では、S. mutansが、その代謝活性を失い得ることが示唆された。また、従来、自然界に存在する細菌を対象とした研究においてのみ明らかにされていたリボフラビンの電子シャトルとしての機能が、S. mutansについても具体的に確認された。
すなわち、発酵性細菌(嫌気性細菌)について、細胞内電位のバランスを保つことを補助する電子伝達物質(電子シャトル)が存在し、実際に細菌がそのような電子シャトルを利用して酸化還元バランスを保っていることが、本発明者等によって初めて明らかにされた。また、口腔バイオフィルムを構成する微生物の中に、病原性細菌の細胞内から細胞外への電子の移動を補助する電子伝達物質を生成する細菌が存在し得ることが示された。
These results suggest that under OCV conditions in the absence of riboflavin, the ratio of NADH/NAD+ is high, and therefore under these conditions S. mutans may lose its metabolic activity. In addition, the function of riboflavin as an electronic shuttle, which was previously clarified only in studies of naturally occurring bacteria, was specifically confirmed for S. mutans.
That is, regarding fermentative bacteria (anaerobic bacteria), there are electron mediators (electron shuttles) that help maintain the intracellular potential balance, and bacteria actually use such electron shuttles to achieve redox balance. It was revealed for the first time by the present inventors that It was also shown that among the microorganisms constituting the oral biofilm, there may be a bacterium that produces an electron transfer substance that assists the transfer of electrons from the inside of the pathogenic bacterium to the outside of the cell.

<口腔バイオフィルム内の病原性細菌の代謝活性の定量的評価>
次に、細胞に特異的な安定同位体を用いて、二次イオン質量分析(NanoSIMS分析)を行うことによる、S. mutansの代謝活性の定量的評価手法およびその結果について説明する。
<Quantitative evaluation of metabolic activity of pathogenic bacteria in oral biofilm>
Next, a method for quantitatively evaluating the metabolic activity of S. mutans by performing secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS analysis) using a cell-specific stable isotope and the result thereof will be described.

ITO電極(表面積 3.14cm)を備えた嫌気条件の反応装置に、10mMのグルコースを添加した合成培地、または10mMのグルコースと10μMのリボフラビンを添加した合成培地を注入し、標準水素電極(SHE)を基準としてITO電極の電位差を+0.4Vとする定電位条件下で、ITO電極表面に、唯一の窒素源として15NHClを供給した状態で、S. mutansのインキュベーションを行った。 A anaerobic reactor equipped with an ITO electrode (surface area 3.14 cm 2 ) was injected with a synthetic medium containing 10 mM glucose or a synthetic medium containing 10 mM glucose and 10 μM riboflavin, and the standard hydrogen electrode (SHE (4) as a reference, the S. mutans was incubated under a constant potential condition where the potential difference of the ITO electrode was +0.4 V, with 15 NH 4 Cl as the sole nitrogen source being supplied to the ITO electrode surface.

結果を図6に示す。図6中、「SM added」との記載は、矢印で示した時点でS. mutansの細胞懸濁液を注入したことを表す。
15Nによる同位体効果の影響と思われる変化は見られたものの、非標識のHNClを用いた場合(図示せず)と同様の電流の生成が確認された。また、リボフラビンの存在下(W/ riboflavin)では、リボフラビンの非存在下(W/o riboflavin)の場合よりも、15時間の電気化学測定で得られた電流値の最大値が22%高かった。
Results are shown in FIG. In FIG. 6, the description “SM added” means that the cell suspension of S. mutans was injected at the time point indicated by the arrow.
Although a change likely to be due to the isotope effect due to 15 N was observed, generation of a current similar to that using unlabeled HN 4 Cl (not shown) was confirmed. Further, in the presence of riboflavin (W/riboflavin), the maximum value of the current value obtained by the electrochemical measurement for 15 hours was 22% higher than that in the absence of riboflavin (W/o riboflavin).

<二次イオン質量分析用の試料調製>
電気化学測定を行った後、S. mutansを含むバイオフィルムが付着したITO電極を反応装置から回収し、2.5%のグルタルアルデヒドを含む0.1Mのリン酸緩衝液中で10分間固定し、電極を新たな0.1Mのリン酸緩衝液に浸漬させて洗浄した。洗浄した電極試料を、リン酸緩衝液中のエタノールのグラジエント(25%、50%、75%、90%)および100%エタノールで脱水し、t−ブタノールによる溶媒交換、真空乾燥の後、Quick Coater SC−701(サンユー電子社製)を用いて白金でコーティングした。CAMECA NanoSIMS 50 L system(CAMECA社製)を用いて、試料の表面にCsビームを照射し、二次イオン(1214および1215)の量を測定した。一細胞毎に対象領域(ROI:Regions of Interest)をマーキングし、各ROIにおけるイオン強度の合計値を算出し、全窒素(Ntotal)に対する15Nの割合(15N/Ntotal)から、一細胞毎のNの同位体比(%)を計算した。各試料について、200以上の細胞を対象として計測を行った。
<Sample preparation for secondary ion mass spectrometry>
After performing the electrochemical measurement, the ITO electrode to which the biofilm containing S. mutans was attached was collected from the reaction device and fixed in 0.1 M phosphate buffer containing 2.5% glutaraldehyde for 10 minutes. The electrodes were washed by immersing them in fresh 0.1 M phosphate buffer. The washed electrode sample was dehydrated with a gradient of ethanol (25%, 50%, 75%, 90%) in phosphate buffer and 100% ethanol, solvent exchange with t-butanol, vacuum drying, and then Quick Coater. SC-701 (manufactured by Sanyu Electronics Co., Ltd.) was used for coating with platinum. The surface of the sample was irradiated with a Cs + beam using a CAMECA NanoSIMS 50 L system (manufactured by CAMECA), and the amount of secondary ions ( 12 C 14 N and 12 C 15 N ) was measured. A region of interest (ROI) is marked for each cell, the total value of ionic strength in each ROI is calculated, and the ratio of 15 N to total nitrogen (N total ) ( 15 N/N total ) The N isotope ratio (%) of each cell was calculated. For each sample, 200 or more cells were measured.

結果を図7および図8に示す。図7(a)〜図7(d)において、右上に記載した数字は、計測を行った細胞の数(n)を表す。
リボフラビン非存在下のOCV条件(図7(a);OCV)では、比較的低い活性(15N/Ntotal < 10%)を示した細胞が全体(n=231)の42%であった。一方、リボフラビン存在下のOCV条件(図7(c);RF OCV)、およびリボフラビン存在下のEET条件(図7(b);RF EET)では、15N/Ntotalの値が10%未満の細胞の数は、それぞれ14%および9%であり、図7(a)に示すリボフラビン非存在下のOCV条件と比較して、有意に低かった。なお、リボフラビン非存在下のEET条件(図7(d);EET)における、15N/Ntotalの値が10%未満の細胞の数は、4%であった。
各条件で得られた結果をまとめた図8からも理解されるように、これらの結果から、リボフラビンがS. mutansの細胞内から細胞外への電子移動を媒介すること、また、リボフラビンが存在することによって、活性の低い細胞の代謝活性が高められることが示唆された。
The results are shown in FIGS. 7 and 8. 7(a) to 7(d), the numbers shown in the upper right represent the number (n) of cells for which measurement was performed.
Under OCV conditions in the absence of riboflavin (FIG. 7(a); OCV), 42% of the cells (n=231) showed relatively low activity ( 15 N/N total <10%). On the other hand, under OCV conditions in the presence of riboflavin (FIG. 7(c); RF OCV) and EET conditions in the presence of riboflavin (FIG. 7(b); RF EET), the value of 15 N/N total was less than 10%. The number of cells was 14% and 9%, respectively, which was significantly lower than that in the OCV condition in the absence of riboflavin shown in FIG. 7(a). The number of cells having a 15 N/N total value of less than 10% under EET conditions in the absence of riboflavin (FIG. 7(d); EET) was 4%.
As can be understood from FIG. 8 which summarizes the results obtained under each condition, these results indicate that riboflavin mediates the electron transfer of S. mutans from the inside to the outside of the cell, and that riboflavin is present. It was suggested that by doing so, the metabolic activity of cells with low activity was enhanced.

また、リボフラビン非存在下のOCV条件(図7(a))では、分析した細胞の50%以上が、他の条件での細胞と同様に活性を有し、15N/Ntotalの値の平均値は、他の3つの条件と類似していた。このことは、S. mutansにおいて、代謝経路が変化することに起因するエネルギー産生の効率化への影響は小さいことを示している。 Further, in the OCV condition in the absence of riboflavin (FIG. 7(a)), 50% or more of the analyzed cells had the same activity as the cells under the other conditions, and the average value of 15 N/N total was determined. Values were similar to the other three conditions. This indicates that in S. mutans, the influence on the efficiency of energy production due to the change in metabolic pathway is small.

これらの単一細胞の活性に関するNanoSIMS分析の結果から、以下の事項が導かれる。
・小さい電流値として確認されるS. mutansの細胞内から細胞外への電子の移動は、細胞内のNADH/NAD+の比を制御するのに大きな役割を果たしていること。
・リボフラビンが、口腔バイオフィルムにおいて、S. mutansの細胞内外、バイオフィルムの内外の電子移動を媒介すること。
・細胞内の還元的な環境から細胞外の酸化的な環境へ電子を排出することによってNAD+の再生が起こり、S. mutansによる乳酸発酵が促進されること。
From the results of NanoSIMS analysis on the activity of these single cells, the following matters are derived.
The transfer of electrons from the intracellular to the extracellular of S. mutans, which is confirmed as a small current value, plays a major role in controlling the intracellular NADH/NAD+ ratio.
・Riboflavin mediates electron transfer inside and outside of S. mutans and inside and outside of biofilm in oral biofilm.
-NAD+ regeneration occurs by discharging electrons from the intracellular reducing environment to the extracellular oxidative environment, thereby promoting lactic acid fermentation by S. mutans.

このような電子の移動は、電流発生菌と呼ばれる細菌をはじめ自然界に存在する細菌においては既に確認されていた現象であるが、本発明者等によって、口腔バイオフィルム内に存在する病原性細菌が細胞外電子伝達機構を有していること、また、少量の電子の移動が当該病原性細菌の酸化還元バランスの維持に大きく関与していることが、S. mutansを用いて初めて実証された。 Such electron transfer is a phenomenon that has already been confirmed in bacteria existing in nature including bacteria called current-producing bacteria, but the present inventors have confirmed that pathogenic bacteria present in the oral biofilm are It was demonstrated for the first time using S. mutans that it has an extracellular electron transfer mechanism and that a small amount of electron transfer is largely involved in maintaining the redox balance of the pathogenic bacterium.

電流発生菌と呼ばれるシュワネラ属細菌やジオバクター属細菌などでは、クーロン効率(columbic efficiency)として80%を超える値が得られるという報告例もあるが、それらの細菌と比較して、上記のS. mutansを用いた実験系における電気化学測定の開始から24時間後のクーロン効率は、クーロン値の合計と消費されたグルコースの量から、0.05%未満と推定された。これらの結果は、S. mutansにおける細胞外電子伝達機構の役割は、自然界に存在する細菌において見られるような、代謝によって生じた電子の流れを主導することではなく、細胞内から細胞外への電子の移動を補助することであるということを示している。 Although there are reports that a Coulombic efficiency of more than 80% is obtained in bacteria such as Schwanella spp. and Diobacter spp., which are called current-producing bacteria, compared with those bacteria, S. mutans The coulombic efficiency 24 hours after the start of the electrochemical measurement in the experimental system using was estimated to be less than 0.05% from the total coulombic value and the amount of glucose consumed. These results indicate that the role of the extracellular electron transfer mechanism in S. mutans is not to drive the electron flow produced by metabolism as seen in naturally occurring bacteria, but rather from intracellular to extracellular. It is to assist the movement of electrons.

以上の知見を総合的に考慮すると、口腔バイオフィルムの内部に存在する細菌のコミュニティにおいて、特に、S. mutansが存在する口腔バイオフィルムの内部において、酸化還元バランスの恒常性(レドックスホメオスタシス)の維持に電子の移動が深く関与していることが強く示唆される。このことは、後述するように、S. mutansが生得的に細胞外電子伝達機構を有していること、すなわち、外的要因として電子移動を媒介する物質(電子伝達物質)の有無によらず、細胞内から細胞外へ電子を伝達する仕組みを備えていることからも支持される。 Considering the above findings comprehensively, in the bacterial community inside the oral biofilm, especially in the oral biofilm containing S. mutans, the homeostasis of the redox homeostasis (redox homeostasis) is maintained. It is strongly suggested that the electron transfer is deeply involved in. This means that S. mutans inherently has an extracellular electron transfer mechanism, that is, whether or not there is a substance (electron transfer substance) that mediates electron transfer as an external factor, as described below. , It is also supported by having a mechanism to transfer electrons from inside the cell to the outside of the cell.

上記の実験系で得られた結果に示されるように、電子受容体としてのリボフラビンを添加しない場合であっても、乳酸発酵の向上と15Nの同化を伴って有意な量の電流の発生が確認された一方、リボフラビン存在下の場合と比較して、無視できない程度にエタノールの生成が確認された(図3、図7(d))。 As shown in the results obtained in the above experimental system, even when riboflavin as an electron acceptor was not added, a significant amount of current was generated with the improvement of lactic acid fermentation and the assimilation of 15 N. On the other hand, the production of ethanol was confirmed to a non-negligible level compared with the case of the presence of riboflavin (Fig. 3, Fig. 7(d)).

また、図3(a)に示すように、リボフラビンの存在下でも非存在下でも、電流生成の経時変化の傾向は類似しており、グルコース消費率はほぼ一致しており(図3(b))、無視できない程度に酢酸やギ酸の生成が確認された(図4(b)、図4(c))。リボフラビン存在下の場合と比較してリボフラビン非存在下で電流の発生量が小さい理由としては、リボフラビンが、電極に付着した細菌だけでなく、実験系に存在するプランクトンの細胞からも電子を伝達している可能性が考えられる。 In addition, as shown in FIG. 3( a ), the tendency of change over time in current generation was similar in the presence and absence of riboflavin, and the glucose consumption rates were almost the same (FIG. 3( b )). ), production of acetic acid and formic acid was confirmed to a non-negligible level (FIGS. 4(b) and 4(c)). The reason why the amount of current generated in the absence of riboflavin is smaller than that in the presence of riboflavin is because riboflavin transfers electrons not only from bacteria attached to the electrode but also from plankton cells present in the experimental system. It is possible that

これらの結果は、S. mutansが、リボフラビンを介した電子の授受(シャトリング)によってのみではなく、リボフラビンなどの電子伝達物質を介しない直接的な電子移動メカニズムによって、電極表面に電子を伝達する能力を有していることを示唆している。すなわち、口腔バイオフィルムの内部に存在するS. mutansなどの細菌は、図9(ii)に模式的に示すような、電子伝達物質(例えば、リボフラビン(RF))を介する電子伝達機構と、図9(i)に模式的に示すような、細胞表面に存在するタンパク質を介する電子伝達機構を有していると考えられる。 These results indicate that S. mutans transfers electrons to the electrode surface not only by electron transfer (shutling) via riboflavin but also by a direct electron transfer mechanism not through electron mediators such as riboflavin. Suggests that you have the ability. That is, bacteria such as S. mutans existing inside the oral biofilm have an electron transfer mechanism mediated by an electron transfer substance (for example, riboflavin (RF)) as schematically shown in FIG. 9(ii). It is considered to have an electron transfer mechanism mediated by a protein existing on the cell surface, as schematically shown in 9(i).

<口腔バイオフィルム内の病原性細菌による直接的な電子伝達能の評価>
次に、上述したような口腔バイオフィルム内の病原性細菌による直接的な電子伝達能を評価するための実験手法およびその結果について説明する。
<Evaluation of direct electron transfer ability by pathogenic bacteria in oral biofilm>
Next, an experimental method for evaluating the direct electron transfer ability by the pathogenic bacteria in the oral biofilm as described above and the result thereof will be described.

バイオフィルム内の環境に依存しない経路による電子の移動を評価するために、シュワネラ属細菌やジオバクター属細菌などの、自然界に存在する細菌の電子伝達能を評価するために用いられている実験系を用いた。具体的には、上記の電気化学分析で使用した電気化学セルと同様の構成を有する電気化学セルを用いて、使用済みの培養培地を取り除き、Nでスパージングした無菌合成培地(10mMのグルコースを含む)で置き換え、培地の置き換え前後の電流密度を測定した。培地の置き換えの度に、電極に付着したバイオフィルムを、Nでスパージングした合成培地(N2-sparged DM)で2回リンスした。また、培地の置き換えを行っている間は、電気化学セル内に酸素が混入するのを避けるため、セル内のヘッドスペースをNで連続的にスパージングした。使用済みの培養培地については、培地中に可溶性のレドックス媒介性物質(redox mediator)が蓄積しているかどうかを評価した。培養ろ液はバイオフィルムの周囲から回収し、遠心分離して細胞デブリを除去した後、培地を置き換えた電気化学セルに入れ、Nでスパージングした。なお、フィルターは、有機分子がフィルターに吸着してしまうことを避けるため、使用しなかった。上記と同様の微分パルスボルタンメトリー(DPV:Differential Pulse Voltammetry)測定を行って、レドックス分子を検出した。 To evaluate the electron transfer by environment-independent pathways in biofilms, we have developed an experimental system used to evaluate the electron transfer capacity of naturally occurring bacteria such as Schwanella bacteria and Diobacter bacteria. Using. Specifically, using an electrochemical cell having the same configuration as the electrochemical cell used in the above electrochemical analysis, the used culture medium was removed, and a sterile synthetic medium sparged with N 2 (10 mM glucose was added). Was included), and the current density before and after the medium replacement was measured. The medium replacement degrees, the biofilm attached to the electrode, was rinsed twice with synthetic medium sparged with N 2 (N 2 -sparged DM) . Further, while the medium was being replaced, the headspace in the cell was continuously sparged with N 2 in order to avoid oxygen from entering the electrochemical cell. The spent culture medium was evaluated for the accumulation of soluble redox mediators in the medium. The culture filtrate was collected from around the biofilm, centrifuged to remove cell debris, placed in an electrochemical cell with the medium replaced, and sparged with N 2 . The filter was not used in order to avoid the adsorption of organic molecules on the filter. The same differential pulse voltammetry (DPV) measurement as described above was performed to detect redox molecules.

図10(a)は、電流密度の測定結果である。図10(a)中、「cells added」との記載は、矢印で示した時点でS. mutansの細胞懸濁液を注入したことを表す。「exchange w/ fresh medium」との記載は、矢印で示した時点で、10mMのグルコースを含む無菌合成培地に交換したことを表す。「exchange w/ spent medium」との記載は、矢印で示した時点で、使用済みの合成培地に交換したことを表す。
その結果、培地を交換した後も、交換前と同程度のレベルの電流の生成が継続的に確認された。すなわち、培地の変更によって、S. mutansによる電流生成への影響は確認されず、また、培地にプランクトン細胞が含まれない場合でもS. mutansによる電流生成が確認された。
FIG. 10A shows the measurement result of the current density. In FIG. 10( a ), the description “cells added” means that the cell suspension of S. mutans was injected at the time indicated by the arrow. The expression "exchange w/ fresh medium" means that the medium was replaced with a sterile synthetic medium containing 10 mM glucose at the time point indicated by the arrow. The description "exchange w/ spent medium" means that the used synthetic medium was replaced at the time indicated by the arrow.
As a result, even after the medium was exchanged, it was continuously confirmed that the electric current was generated at the same level as that before the exchange. That is, the change of the medium did not confirm the influence of S. mutans on the current generation, and the current generation by S. mutans was confirmed even when the medium did not contain plankton cells.

また、電気化学測定を行った後のITO電極を走査型電子顕微鏡(SEM)観察した結果、図11に示すように、S. mutansが電極の表面に直接付着している様子が確認された。なお、SEM観察用の試料は、上記の二次イオン質量分析用の試料と同様の手順で調製し、白金をコーティングした電極試料を、VE−9800電子顕微鏡(Keyence社製)を用いて観察した。 In addition, as a result of observing the ITO electrode after the electrochemical measurement with a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that S. mutans was directly attached to the surface of the electrode, as shown in FIG. The sample for SEM observation was prepared by the same procedure as the sample for secondary ion mass spectrometry, and the platinum-coated electrode sample was observed using a VE-9800 electron microscope (manufactured by Keyence). ..

上記の結果は、可溶性のレドックス媒介性物質や水素は、S. mutansによる電流生成において支配的な役割を果たしていないことを示している。 The above results indicate that soluble redox mediators and hydrogen do not play a dominant role in current production by S. mutans.

また、図10(b)に示すDPV分析の結果から、培地の置き換え前のバイオフィルム(Established biofilm)および培地の置き換え後のバイオフィルム(biofilm-exchange w/ fresh DM)では、レドックスピークは、標準水素電極(SHE)に対して20mVおよび250mVにおいて検出されたが、これらのピークは、使用済みの合成培地(spent DM)および無菌合成培地(fresh DM)では検出されなかった。このことは、レドックス活性の成分は、培地の置き換えによって影響を受けず、S. mutansとともにそのままの状態で電極表面に存在していることを示している。 In addition, from the results of the DPV analysis shown in FIG. 10(b), in the biofilm before replacement of the medium (Established biofilm) and the biofilm after replacement of the medium (biofilm-exchange w/ fresh DM), the redox peak was Detected at 20 mV and 250 mV against the hydrogen electrode (SHE), these peaks were not detected in spent synthetic medium (spent DM) and sterile synthetic medium (fresh DM). This indicates that the redox-active component is not affected by the replacement of the medium, and remains on the electrode surface as it is along with S. mutans.

図12(a)は、ITO電極(表面積 3.14cm)を用いて、10mMのグルコースの存在下、標準水素電極(SHE)を基準としてITO電極の電位差を+0.4Vとする定電位条件で測定した、S. mutansによる電流生成値(μA)の時間経過を示すグラフである。図12(a)中、「cells added」との記載は、矢印で示した時点でS. mutansの細胞懸濁液を注入したことを表す。また、これ以外の矢印は、DPV測定のタイミングを示しており、2時間間隔で測定を行ったことを表す。
図12(b)は、図10(b)に示したDPボルタモグラムにおける、標準水素電極(SHE)に対する電位が約20mVでのレドックスピーク電流値(μA)に対して、S. mutansによる電流生成値(μA)をプロットしたグラフである。
図12(b)中の左上に挿入したグラフに示すように、電気化学測定の開始2時間後の結果を除いて、20mVでのピーク電流値とS. mutansによる電流生成値の間に、相関係数の二乗(R)=0.9489で線形関係が得られ、さらに、図12(b)に示した回帰直線が原点を通過していることから、レドックス分子が優先的に電流生成を媒介しており、水素や、酵母抽出物中に含まれる少量のリボフラビンは、このプロセスにわずかに関与しているのみであることが示された。
FIG. 12A shows a constant potential condition using an ITO electrode (surface area: 3.14 cm 2 ) in the presence of 10 mM glucose, with the potential difference of the ITO electrode being +0.4 V based on the standard hydrogen electrode (SHE). It is a graph which shows the time passage of the measured electric current generation value (microampere) by S. mutans. In FIG. 12( a ), the description “cells added” means that the cell suspension of S. mutans was injected at the time indicated by the arrow. Further, the arrows other than this indicate the timing of DPV measurement, indicating that the measurement was performed at intervals of 2 hours.
FIG. 12B shows a current generation value by S. mutans in contrast to the redox peak current value (μA) at a potential of about 20 mV with respect to the standard hydrogen electrode (SHE) in the DP voltammogram shown in FIG. 10B. 6 is a graph in which (μA) is plotted.
As shown in the graph inserted in the upper left of FIG. 12(b), except for the result 2 hours after the start of the electrochemical measurement, the phase was changed between the peak current value at 20 mV and the current generation value by S. mutans. A linear relationship is obtained with the square of the number of relations (R 2 ) = 0.9489, and further, since the regression line shown in FIG. 12B passes through the origin, the redox molecule preferentially generates current. It has been shown that hydrogen and small amounts of riboflavin, which are mediated and contained in yeast extracts, are only slightly involved in this process.

このように、電解質の上清液の置き換えや、S. mutansとともにレドックス分子が存在することによる無視できない程度の影響から、S. mutansが、その細胞表面に存在する生体分子を介して、電極表面に直接的に電子を伝達していることが実験的に確認された。 Thus, due to the non-negligible effect of replacement of the electrolyte supernatant solution and the presence of redox molecules along with S. mutans, S. mutans mediated biomolecules present on the cell surface of the electrode surface. It was experimentally confirmed that the electrons are directly transferred to.

さらに、S. mutansの細胞表面から電極表面への直接的な電子移動メカニズムが存在することは、3,3’−ジアミノベンジン(DAB)を用いたレドックス依存性染色(redox-dependent staining)、および透過型電子顕微鏡(TEM)観察によっても確認することができる。 Furthermore, the existence of a direct electron transfer mechanism from the cell surface of S. mutans to the electrode surface is confirmed by the redox-dependent staining using 3,3′-diaminobenzidine (DAB), and It can also be confirmed by observation with a transmission electron microscope (TEM).

<透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた観察手順>
20mLの細胞培養物を7800rpmで10分間遠心分離することによって、S. mutans細胞を回収し、回収したS. mutans細胞を、2%パラホルムアルデヒドおよび2.5%グルタルアルデヒドを含む溶液中で氷冷して固定した。固定後のすべての操作は、2mLのエッペンドルフチューブ中で行った。1.5mLの洗浄液で穏やかに懸濁させながら5回洗浄を行い、50mM Na−HEPES(pH 7.4、35g/L NaCl)を用いて5000×gで4分間遠心分離した。次いで、3,3’−ジアミノベンジン(DAB)と過酸化水素(H)による処理および四酸化オスミウム(OsO)溶液によるポスト固定を行い、細胞膜およびペプチドグリカン層を染色した後、樹脂包埋を行った。得られた樹脂ブロックから80nmの切片を切り出し、銅製のマイクログリッド上に載せ、JEM−1400電子顕微鏡(日本電子製)を用いて80kVの加速電圧条件で観察した。S. mutansの細胞膜による電子線吸収の定量分析は、DAB陽性の染色細胞のLINEプロファイルから取得されたLRホワイトレジン、細胞質、および細胞膜の領域の電子線透過(ET)量を比較することによって行った(Deng, X., Dohmae, N., Nealson, K. H., Hashimoto, K. & Okamoto, A. Multi-heme cytochromes provide a pathway for survival in energy-limited environments. Sci. Adv. 4, eaao5682 (2018)を参照されたい。)。
<Observation procedure using a transmission electron microscope (TEM)>
S. mutans cells were recovered by centrifuging 20 mL of cell culture at 7800 rpm for 10 minutes, and the recovered S. mutans cells were ice-cooled in a solution containing 2% paraformaldehyde and 2.5% glutaraldehyde. And fixed it. All operations after fixation were performed in a 2 mL Eppendorf tube. The cells were washed 5 times while being gently suspended in 1.5 mL of the washing solution, and centrifuged at 5000 xg for 4 minutes using 50 mM Na + -HEPES (pH 7.4, 35 g/L NaCl). Next, after treatment with 3,3′-diaminobenzidine (DAB) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and post-fixation with an osmium tetroxide (OsO 4 ) solution, the cell membrane and peptidoglycan layer were stained, and then the resin encapsulation was performed. Buried. An 80 nm section was cut out from the obtained resin block, placed on a copper microgrid, and observed under an accelerating voltage condition of 80 kV using a JEM-1400 electron microscope (made by JEOL Ltd.). Quantitative analysis of electron beam absorption by the cell membrane of S. mutans was carried out by comparing the electron beam transmission (ET) amount of LR white resin, cytoplasm, and cell membrane region obtained from the LINE profile of DAB-positive stained cells. Deng, X., Dohmae, N., Nealson, KH, Hashimoto, K. & Okamoto, A. Multi-heme cytochromes provide a pathway for survival in energy-limited environments.Sci. Adv. 4, eaao5682 (2018) Please refer to.).

TEM観察結果を図10(c)、図10(d)および図13に示す。
過酸化水素の存在下でDAB染色を行うポジティブコントロール条件(DAB positive)では、図10(c)および図13(a)に示すように、細胞膜およびペプチドグリカン層の染色が確認されたのに対して、ネガティブコントロール条件として過酸化水素を用いなかった場合(DAB negative)には、図10(d)および図13(b)に示すように、細胞膜やペプチドグリカン層の染色はほとんどもしくは全く確認されなかった。図10(c)では、白色矢印で示すように、細胞表面またはペプチドグリカン層にレドックス活性剤が存在する様子が確認できるが、図10(d)では、白色矢印で示した箇所にそのような物質が存在することは確認できない。なお、図10(c)、図10(d)のスケールバーは、100nmである。
The TEM observation results are shown in FIG. 10(c), FIG. 10(d) and FIG.
In the positive control condition (DAB positive) in which DAB staining was performed in the presence of hydrogen peroxide, staining of the cell membrane and peptidoglycan layer was confirmed as shown in FIGS. 10(c) and 13(a). When hydrogen peroxide was not used as a negative control condition (DAB negative), little or no staining of the cell membrane or peptidoglycan layer was confirmed as shown in FIGS. 10(d) and 13(b). .. In FIG. 10(c), it can be confirmed that the redox activator is present on the cell surface or the peptidoglycan layer as indicated by the white arrow, but in FIG. 10(d), such a substance is present at the location indicated by the white arrow. Cannot be confirmed to exist. The scale bar in FIGS. 10C and 10D is 100 nm.

図14Aおよび図14Bは、DAB活性剤を用いてコントラストを増強したペプチドグリカン層の領域をTEM−LINEプロファイル分析し、電子線透過量を正規化して、これまでに報告された自然界に存在する電流発生菌の細胞外膜シトクロムcに関するデータと比較した結果である。
図14Aは、ポジティブコントロール条件(DAB positive)でS. mutans細胞をDAB染色した結果であり、図14Bは、ネガティブコントロール条件(DAB negatiev)でS. mutans細胞をDAB染色した結果である。
各条件で得られたTEM画像から、図14Aおよび図14Bの左上に示すように1つの細胞を任意に選定し、分析対象として3箇所を選択し、電子線透過量をLINEプロファイル分析した。1〜3の符号を付したLINEプロファイル分析結果について、Y軸は電子線透過量であり、X軸は分析に用いたフレームの長さ(nm)である。
それぞれのプロファイリング結果は、大まかに3つの領域に分けることができる。電子線透過量の値が最も低い領域は、黒色矢印で示すように細胞膜(membrane)であり、点線で囲んだ部分の両側の領域は、LRホワイトレジン(resin)または細胞の内側(cytoplasm)である。図14Aにおける白色矢印は、細胞表面もしくはペプチドグリカン層に局在化したDAB活性剤を示している。図14Aに示した3つのプロファイリング結果から得られた正規化した電子線透過量の平均値は、1.23と見積もられ、自然界に存在する細菌について報告された値(1.88)と近い値が得られた。
14A and 14B are TEM-LINE profile analysis of areas of the peptidoglycan layer that had been contrast-enhanced with DAB activators to normalize electron beam transmission and show previously reported current generation in nature. It is a result compared with the data regarding the extracellular membrane cytochrome c of the bacterium.
FIG. 14A is a result of DAB staining of S. mutans cells under a positive control condition (DAB positive), and FIG. 14B is a result of DAB staining of S. mutans cells under a negative control condition (DAB negatiev).
From the TEM images obtained under each condition, one cell was arbitrarily selected as shown in the upper left of FIGS. 14A and 14B, three sites were selected as analysis targets, and the LINE profile analysis of the electron beam transmission amount was performed. Regarding the LINE profile analysis results with reference numerals 1 to 3, the Y axis is the electron beam transmission amount, and the X axis is the length (nm) of the frame used for the analysis.
Each profiling result can be roughly divided into three areas. The region with the lowest value of electron beam transmission is the cell membrane as shown by the black arrow, and the regions on both sides of the part surrounded by the dotted line are LR white resin (resin) or inside the cell (cytoplasm). is there. White arrows in FIG. 14A indicate DAB activators localized on the cell surface or peptidoglycan layer. The normalized average value of the electron beam transmission amount obtained from the three profiling results shown in FIG. 14A is estimated to be 1.23, which is close to the value (1.88) reported for naturally occurring bacteria. The value was obtained.

これらの結果から、S. mutans細胞のペプチドグリカン層の表面に、レドックス活性酵素が局在していることが示唆され、このことは、S. mutansが直接的な細胞外電子伝達能を有していることと首尾よく一致する。一方、S. mutansは、自然界に存在する電流発生菌における電子伝達機構に必須の遺伝子であるシトクロムcをコードする遺伝子を欠いていることが報告されている。そのため、上記の実験系では、DABによって染色されたのはヘム中心ではなく、遷移金属イオン、NADHまたはFAD補因子が染色された可能性がある。このことは、S. mutansによる直接的な電子伝達機構においては、シトクロムcとは異なる新規なタイプのレドックス酵素が関係する電子移動メカニズムが存在することが示唆された。 These results suggest that the redox-active enzyme is localized on the surface of the peptidoglycan layer of S. mutans cells, which indicates that S. mutans has a direct extracellular electron transfer ability. Is consistent with being On the other hand, it has been reported that S. mutans lacks a gene encoding cytochrome c, which is an essential gene for the electron transfer mechanism in current-producing bacteria existing in nature. Therefore, in the above experimental system, it is possible that DAB was stained not at the heme center but at the transition metal ion, NADH or FAD cofactor. This suggests that in the direct electron transfer mechanism by S. mutans, there is an electron transfer mechanism involving a novel type of redox enzyme different from cytochrome c.

このように、レドックス色素を用いて染色したS. mutansを用いた電気化学的分析および透過型電子顕微鏡観察の結果から、S. mutansの細胞表面に結合した酸化還元酵素を介した直接的な細胞外電子伝達機構が存在することが確認された。 Thus, from the results of electrochemical analysis and transmission electron microscopy using S. mutans stained with a redox dye, direct cell mediated oxidoreductase binding to the cell surface of S. mutans was observed. It was confirmed that there is an external electron transfer mechanism.

S. mutansが有する生得的かつ直接的な(リボフラビンなどの電子伝達物質を介さない)細胞外電子伝達能によって、電子移動の速度が向上するように思われるが、それだけでなく、本発明者等によって得られた新たな知見は、口腔バイオフィルムにおいて、広範囲にわたる別の電子移動メカニズム(すなわち、導電性のマトリックス)が存在していることも示している。 The innate and direct extracellular electron transfer ability of S. mutans (not via electron transfer substances such as riboflavin) seems to enhance the rate of electron transfer. The new findings obtained also indicate that there is a wide range of alternative electron transfer mechanisms (ie, conductive matrices) in oral biofilms.

自然界に存在する細菌の中には、piliの産生とともに、導電性のバイオフィルムを形成する細菌があることが知られている(例えば、G. sulfurrenducens PCAなど)。また、同様のナノスケールの構造体が、口腔の病原性バイオフィルムに存在することがこれまでに報告されており、原子間力顕微鏡観察から導電性を有することが確認されている。これらの導電性のマトリックスが口腔バイオフィルムに存在することから推測すると、S. mutansは、細胞内に蓄積した過剰な還元エネルギーを、バイオフィルムの外側の酸化的環境に排出することができると考えられる。このことは、上記の実験例で確認された少量の電流値(電荷)が代謝活性に有意に影響を及ぼしていることからも支持される。なぜなら、このような低いレベルの電気伝導であっても、バイオフィルム内に存在する細菌にとっては十分に有意義であるはずであるからである。 It is known that naturally occurring bacteria include bacteria that form a conductive biofilm along with the production of pili (for example, G. sulfurrenducens PCA). Further, it has been reported so far that a similar nanoscale structure exists in the pathogenic biofilm of the oral cavity, and it has been confirmed that it has conductivity by observation with an atomic force microscope. Given that these electrically conductive matrices are present in oral biofilms, S. mutans may be able to drain the excess reducing energy stored intracellularly into the oxidative environment outside the biofilm. To be This is also supported by the fact that the small amount of electric current (charge) confirmed in the above experimental example significantly affects metabolic activity. This is because even such low levels of electrical conduction should be sufficiently meaningful for the bacteria present in the biofilm.

上記の実験系を用いて得られた各種の電気化学分析結果は、口腔バイオフィルムの内部に存在する細菌が、その電子伝達機構によって電子を細胞内から細胞外へ移動させる(排出する)こと、さらには、細菌同士のネットワークや電子伝達物質などを介してバイオフィルムの内部から外部へ電子が移動する(排出される)ことによって、細菌内、バイオフィルム内において過剰な還元エネルギーが蓄積された状態が解消され、酸化還元バランスの恒常性(ホメオスタシス)が維持されていることを示している。 Various electrochemical analysis results obtained using the above experimental system, bacteria existing inside the oral biofilm, the electron transfer mechanism to move electrons from the inside of the cell to the outside (excretion), In addition, electrons are transferred (exhausted) from the inside of the biofilm to the outside through the network between bacteria and electron mediators, which causes excessive reduction energy to be accumulated inside the bacteria and biofilm. Is eliminated and homeostasis of redox balance is maintained (homeostasis).

このように、S. mutansが有する細胞外電子伝達機構は、所定の電気化学系において微小な電流値として確認することができ、この少量の電子移動が、口腔バイオフィルム内のように嫌気的な条件下での代謝経路や代謝活性に大きく関与しており、発酵における酸化還元バランスの恒常性維持に大きく影響していることから、口腔バイオフィルム内の病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御することにより、当該病原性細菌の活性を低減させることができ、う蝕および歯周病などの口腔疾患の発症および進行を抑制することができることが、具体的に示された。 Thus, the extracellular electron transfer mechanism possessed by S. mutans can be confirmed as a minute current value in a given electrochemical system, and this small amount of electron transfer is anaerobic as in the oral biofilm. Since it is greatly involved in metabolic pathways and activities under conditions and greatly influences the homeostasis of redox balance during fermentation, it controls the extracellular electron transfer mechanism of pathogenic bacteria in oral biofilms. By doing so, it was specifically shown that the activity of the pathogenic bacterium can be reduced, and the onset and progression of oral diseases such as caries and periodontal disease can be suppressed.

レドックスホメオスタシスおよび継続的なNAD+の再生が、種々のタイプのバイオフィルムを形成する広範囲の発酵性細菌にとって普遍的な課題であることからすれば、過剰な還元エネルギーを排出するという現象(すなわち、微生物による生存戦略)は、至る所に存在する可能性がある。嫌気的呼吸鎖における微生物による電子の利用は、環境微生物学の分野における関心事項であるので、本発明者等による新規な知見は、バイオフィルム内の発酵性細菌のエネルギー代謝を解明し、また、その理解に基づいて制御することの第一歩となるはずである。加えて、細胞外電子伝達機構がバイオフィルムにおける細菌の活性を増強するのに重要な役割を果たしていることから、細胞外電子伝達機構に寄与する酵素を特定することによって、口腔疾患や全身疾患の新規な予防および治療に向けた新たなアプローチが可能になるものと期待される。すなわち、細胞外電子伝達機構は、マイクロバイオーム(microbiome;微生物叢)における病原性細菌に対する、薬剤による制御や物理化学的手法による制御の有望な標的となり得る。 Given that redox homeostasis and continuous NAD+ regeneration are universal challenges for a wide range of fermentative bacteria that form different types of biofilms, the phenomenon of excreting excess reducing energy (ie, microbial Survival strategies by) may exist everywhere. Since the utilization of electrons by microorganisms in the anaerobic respiratory chain is a matter of interest in the field of environmental microbiology, the novel findings by the present inventors elucidate the energy metabolism of fermentative bacteria in biofilms, and It should be the first step in controlling based on that understanding. In addition, since the extracellular electron transfer mechanism plays an important role in enhancing the activity of bacteria in biofilms, by identifying the enzyme that contributes to the extracellular electron transfer mechanism, it is possible to control oral and systemic diseases. It is expected that new approaches for new prevention and treatment will be possible. That is, the extracellular electron transfer mechanism can be a promising target for drug control or physicochemical control of pathogenic bacteria in the microbiome.

以上、本発明の実施形態について、S. mutansを例にして詳細に説明してきたが、具体的な形態は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更等があっても本発明に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described in detail above by taking S. mutans as an example, the specific form is not limited to the above-mentioned embodiment, and the design within the scope not departing from the gist of the present invention The present invention includes modifications and the like.

本発明は、従来の生化学的アプローチとは全く異なり、物理化学的手法を駆使することによって、口腔疾患の予防および治療に寄与し得る新規な方法および口腔用組成物を提供するものである。また、本発明によれば、口腔バイオフィルム内の病原性細菌が関係する口腔疾患以外の全身疾患の発症および進行を抑制することも可能であると考えられる。本発明は、従来の抗菌剤のように、口腔バイオフィルム内への薬剤の浸透性の問題や、新たな耐性菌の発生の問題などとは無関係であり、また、クオラムセンシングの制御剤のように、薬剤の適用場面や効果が限定されることは基本的に想定されず、様々な応用が可能であると期待される。
The present invention provides novel methods and oral compositions that can contribute to the prevention and treatment of oral diseases by utilizing physicochemical techniques, which is completely different from conventional biochemical approaches. Further, according to the present invention, it is considered possible to suppress the onset and progression of systemic diseases other than oral diseases related to pathogenic bacteria in the oral biofilm. The present invention, like the conventional antibacterial agent, is not related to the problem of the permeability of the drug into the oral biofilm, the problem of the generation of new resistant bacteria, and the like. As described above, it is basically assumed that the application scene and effect of the drug are not limited, and various applications are expected.

Claims (12)

口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御することにより、前記病原性細菌の活性を低減させる方法。 A method for reducing the activity of the pathogenic bacterium by controlling the extracellular electron transfer mechanism of the pathogenic bacterium existing inside the oral biofilm. 前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制することにより、前記病原性細菌の細胞外電子伝達機構を制御する、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the extracellular electron transfer mechanism of the pathogenic bacterium is controlled by suppressing electron transfer from the intracellular to the extracellular of the pathogenic bacterium. 口腔バイオフィルムの内部から外部への電子移動を抑制することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する、請求項2に記載の方法。 The method according to claim 2, wherein electron transfer from the inside to the outside of the pathogenic bacterium is suppressed by suppressing electron transfer from the inside to the outside of the oral biofilm. 口腔バイオフィルムの内部に存在する、電子伝達物質生成能を有する細菌による電子伝達物質の生成を阻害することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する、請求項2または3に記載の方法。 3. The electron transfer from the intracellular to the extracellular of the pathogenic bacterium is suppressed by inhibiting the production of the electron mediator by the bacteria having the ability to generate the electron mediator existing inside the oral biofilm. Or the method described in 3. 前記病原性細菌の細胞外膜に存在する電子伝達酵素の活性を阻害することにより、前記病原性細菌の細胞内から細胞外への電子移動を抑制する、請求項2に記載の方法。 The method according to claim 2, wherein the electron transfer from the intracellular to the extracellular of the pathogenic bacterium is suppressed by inhibiting the activity of an electron transfer enzyme present in the extracellular membrane of the pathogenic bacterium. 前記電子伝達物質がリボフラビンである、請求項4に記載の方法。 The method of claim 4, wherein the electron mediator is riboflavin. 前記病原性細菌が口腔疾患の原因となる細菌である、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the pathogenic bacterium is a bacterium that causes an oral disease. 前記病原性細菌が、う蝕原性細菌または歯周病原性細菌である、請求項7に記載の方法。 The method according to claim 7, wherein the pathogenic bacterium is a cariogenic bacterium or a periodontopathic bacterium. 前記病原性細菌が、Streptococcus mutans、Streptococcus sanguinis、Porphyromonas gingivalis、またはAggregatibacter actinomycetemcomitansである、請求項8に記載の方法。 The method according to claim 8, wherein the pathogenic bacterium is Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis, Porphyromonas gingivalis, or Aggregatibacter actinomycetemcomitans. 口腔バイオフィルムの内部に存在する、電子伝達物質生成能を有する細菌によって生成される電子伝達物質の生成阻害剤を含有する口腔用組成物。 An oral composition comprising an inhibitor of the production of an electron mediator produced by a bacterium having the ability to produce an electron mediator, which is present inside an oral biofilm. 前記電子伝達物質がリボフラビンである、請求項10に記載の口腔用組成物。 The oral composition according to claim 10, wherein the electron transfer substance is riboflavin. 口腔バイオフィルムの内部に存在する病原性細菌の細胞外膜に存在する電子伝達酵素に対する活性阻害剤を含有する口腔用組成物。
An oral composition comprising an activity inhibitor against an electron transfer enzyme existing in the extracellular membrane of a pathogenic bacterium existing inside an oral biofilm.
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