水和固体

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植物、菌類、細菌の吸湿性生物物質は、地球のバイオマスの大部分を占めています1。これらの水反応性材料は代謝的に不活性ですが、環境と水を交換して動きを活性化し 2,3,4,5 、技術的用途にインスピレーションを与えてきました 6,7。化学組成の多様性にもかかわらず、吸湿性の生物材料は、複数の生命界にわたって、相対湿度によるサイズや剛性の変化など、同様の機械的挙動を示します8、9、10、11、12、13。今回我々は、一般的な土壌細菌の吸湿性胞子に関する原子間力顕微鏡による測定結果を報告し、観察された平衡、非平衡および水応答性の機械的挙動を捉える理論を開発し、これらが水和力によって制御されていることを発見した16、17。 18. 水和力に基づく我々の理論は、水輸送の極端な減速を説明し、ガラス状や多孔質弾性の挙動とは異なる強力な非線形弾性と機械的特性の遷移を予測することに成功しました。これらの結果は、水が生物物質に流動性を与えるだけでなく、水和力を通じて巨視的な特性を制御し、異常な特性を備えた「水和固体」を生じさせることができることを示しています。生物物質の大部分は、この異なる種類の固体物質に属する可能性があります。

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図のソースデータ。 1a、d～f、3a、b、4a～i、5b、c、および拡張データ図。 2、4、5は紙に同梱されています。カンチレバーのたわみ（図1c〜f）、胞子の高さ（図1aおよび3a、b）、力と距離の曲線（図4b〜f）、および動的剛性測定（図5c）の生データは、figshareで入手できます。 (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22189823)58.

データ処理、曲線近似、およびプロットに使用される MATLAB コードは、figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22189823)58 で入手できます。

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我々は、胞子への貢献、吸湿弾性理論に情報を与えた議論、および既知の物質の使用の提案に対して、研究完了前に逝去した A. Driks (米国イリノイ州メイウッドのロヨラ大学シカゴ微生物学および免疫学部) に感謝します。細孔サイズの推定値としての胞子のふるい分け特性。資金提供は、米国エネルギー省 (DOE) 早期キャリア研究プログラム、科学局、基礎エネルギー科学 (BES) により、賞番号 2 で提供されました。 DE-SC0007999 (図 1、および図 3 および 4 の実験データ); 海軍研究局による賞番号。 N00014-19-1-2200 (図 5 および図 3 および 4 の理論分析) および N00014-21-1-4004 (図 3 および 4 の理論分析)。国立衛生研究所の国立総合医科学研究所により、賞番号が 2012 年に授与されました。 R35GM141953 (JD へ) および R35GM145382 (OS へ)。デビッド＆ルシル・パッカード・フェロー・プログラムによるものです。私たちは、コロンビア大学、コロンビアナノイニシアチブ、および材料研究科学工学センター DMR-2011738 を通じて NSF が支援する施設および機器の使用を認めます。

シー・チェン

現在の住所: 米国ニューヨーク州ニューヨーク市立大学大学院センター先端科学研究センター (ASRC)

アフメット・ハムディ・チャウショーグル

現在の住所: Merck Digital Sciences Studio (MDSS)、米国ニュージャージー州ニューアーク

これらの著者は同様に貢献しました: Steven G. Harrellson、Michael DeLay

コロンビア大学物理学科、ニューヨーク州ニューヨーク州、米国

スティーヴン・G・ハレルソン & オズグル・シャヒン

コロンビア大学生物科学部、ニューヨーク州ニューヨーク州、米国

マイケル・S・ディレイ、シー・チェン、オズグル・シャヒン

コロンビア大学化学工学部、ニューヨーク州ニューヨーク州、米国

アフメット・ハムディ・チャウショーグル

コロンビア大学微生物学・免疫学部、ニューヨーク州ニューヨーク州、米国

ジョナサン・ドウォーキン

米国ニュージャージー州プリンストンのプリンストン大学機械航空宇宙工学科

ハワード・A・ストーン

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MD、XC、OS は、ナノメカニカルカンチレバーセンサーを使用して緩和動力学を調査する実験を設計しました。 MD と XC は、緩和動力学測定のための実験装置を開発しました。 MD は弛緩反応速度の測定を実施しました。 MD、SGH、A.-HC、OS は、弛緩速度測定の分析に貢献しました。 MD と SGH は胞子の高さ測定を実施しました。 XC は力と距離の曲線の測定を実施しました。 SGH と OS は、胞子の水応答性サイズ変化と非線形弾性の測定値を分析しました。 SGH と OS は、吸湿弾性転移を調べる実験を計画しました。 SGH は、吸湿弾性転移を調査する実験を実施し、データを分析しました。 HAS は、吸湿弾性転移の理論的解析に貢献しました。 JD が資料を提供しました。 OS は吸湿弾性モデルを考案しました。 SGH は、吸湿弾性モデルの開発と改良を支援しました。 MD、SGH、JD、HAS、OS が議論に貢献しました。 OS が研究を設計しました。 MD、SGH、OS は、著者全員からの意見をもとに論文を作成しました。

オズグル・シャヒンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature は、この研究の査読に貢献してくれた Peter Hoffmann と他の匿名の査読者に感謝します。査読者レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

胞子でコーティングされたカンチレバーの走査型電子顕微鏡画像。スケールバーは約20μm。カンチレバーは T 字型で、幅が約 60 μm である自由端付近を除いて、長さは約 300 μm、幅は 30 μm です。

光熱パルス後の代表的なカンチレバーのたわみ信号を、相対湿度レベルの範囲で示します。偏向信号は、ピークツーピーク偏向が 1 に対応するように正規化されています。すべての曲線は、同じ胞子コーティングされたカンチレバーを使用して得られます。これらは、図 1d で使用された 5 つのカンチレバーすべての曲線を表しています。

ソースデータ

a、枯草菌の胞子の走査型電子顕微鏡画像。スケールバー: 500 nm。枯草菌の野生型胞子は、直径約 650 nm、長さ 1 μm ～ 1.5 μm です。 b. 枯草菌の胞子の断面図。遺伝物質を含む核を取り囲む皮質層と外皮層を示しています。コートはタンパク質性の透水性層です49。コートの外表面の AFM 画像は、約 8 nm の周期を持つコートタンパク質によって形成された平行な小ロッドの集合体を明らかにします 59。皮質も水透過性の層であり、栄養細胞の構造と構造が似たペプチドグリカンのゆるく架橋されたネットワークです。 AFM 画像で観察されたように、B. subtilis の栄養型ペプチドグリカンは平均直径 4 nm です 60。コート層と皮質層の厚さはそれぞれ約 70 nm です (「方法」を参照)。胞子核にはタンパク質と DNA が含まれています。コアは脱水されており 61、DNA は結晶状態で詰め込まれています 62。結晶状態の DNA フィルムの弾性率測定では、これらのフィルムのヤング率が約 1.1 GPa63 であることが示されており、コアが流体ではなく硬い固体であることが示唆されています。この仮定は、可溶性生体分子は休眠胞子の脱水コア内では動かないが、発芽時にコアが水和すると可動性を獲得するという観察によっても裏付けられています64。しかし、胞子中の D2O の短い回転相関時間の観察によって示されるように、胞子水は回転運動性を示します 65。この観察は、胞子内の水が氷のような（固体）状態ではないことも示しています。

胞子でコーティングされたカンチレバーの共振周波数のシフトは、水交換の量に影響されます。この効果を使用して、光熱パルスと RH の相対的な効果を比較しました。ここでは、胞子でコーティングされたカンチレバーの基本共振周波数の相対変化を 2 つの場合でプロットします: (左、赤いバー) 光熱パルスの結果として、および (右、紫のバー) 80% からの相対湿度の変化に応答10%まで。結果はパーセンテージで表示されます。これらは、光熱パルスによる摂動が小さいこと、したがって、光熱パルスに応答したカンチレバーの一時的なたわみは、相対湿度の設定点レベルでの胞子の状態をほぼ反映していることを示しています。

ソースデータ

胞子の量は、カンチレバーの共振周波数のシフトから推定される胞子の質量によって表されます。野生型枯草菌（四角）および枯草菌ｃｏｔＥｇｅｒＥ（丸）胞子の時定数をプロットした。データによると、時定数と総胞子質量の間に明確な関連性はありませんが、胞子の種類の影響により、時定数に統計的に有意な変化が生じます: 野生型 B の 50% RH での平均時定数。枯草菌 [四角] は約 118 ミリ秒、B. 枯草菌 cotE gerE [丸] は約 47.1 ミリ秒です (片側 T、p < 0.01)。

ソースデータ

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転載と許可

Harrellson, SG、DeLay, MS、Chen, X. 他水分補給固体。自然 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41586-023-06144-y

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受信日: 2017 年 10 月 5 日

受理日: 2023 年 4 月 27 日

公開日: 2023 年 6 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06144-y

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