細菌と薬剤耐性拡散の関係理解に新たな道筋~水環境中の細菌のエネルギー配分に着目した数理モデル~

2026-01-13 東北大学

東北大学の研究グループは、水環境中の細菌が限られたエネルギーを増殖、バイオフィルム形成、接合による薬剤耐性遺伝子伝播、重金属耐性といった複数機能へどのように配分するかを、Dynamic Energy Budget(DEB)理論に基づく数理モデルと実験データを組み合わせて解明した。特に、環境中に広く存在する酸化亜鉛(ZnO)曝露下で、エネルギー配分が時間的に変化し、遺伝子伝播効率(接合)やバイオフィルム量に影響する様子を定量化した。基質量、細菌濃度、バイオフィルム量、接合効率などの実測値でモデルを同定し、ZnO濃度に応じた機能間のトレードオフを可視化。これにより、水環境汚染が薬剤耐性拡散リスクに及ぼす潜在的影響を評価する新たな枠組みを提示した。本成果は、水環境管理や耐性対策の科学的基盤強化に資する。論文はWater Researchに掲載された。

細菌と薬剤耐性拡散の関係理解に新たな道筋~水環境中の細菌のエネルギー配分に着目した数理モデル~

図1. 遺伝子受容菌におけるDEBに基づくエネルギー配分モデルの模式図。基質(S)は同化エネルギーフラックス(Jassimilation)によって一次エネルギー源として取り込まれ、貯蔵エネルギー(E)として蓄積される。その後、エネルギー利用フラックス(Jmobilization)を介し、維持(Jmaintenance)、増殖(Jgrowth)、重金属耐性(Jmetal)、バイオフィルム形成(Jbiofilm)、および接合(Jconjugation)に利用される。これらは金属ストレス下および遺伝子供与菌の存在という外部ストレス条件下においてバイオマス(V)の形成へとつながる。

<関連情報>

接合伝達、バイオフィルム形成、重金属耐性におけるエネルギー配分のトレードオフ:動的エネルギー予算理論の観点 Energy allocation trade-offs among conjugative transfer, biofilm formation, and heavy metal resistance: a dynamic energy budget theory perspective

Katayoun Dadeh Amirfard, Mohan Amarasiri , Daisuke Sano

Water Research  Available online: 18 December 2025

DOI:https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.125216

Highlights

  • Energy allocation assessed using a Dynamic Energy Budget–based framework.
  • Models applied include ordinary differential equations and time-point approaches.
  • Zinc oxide (ZnO) reduces bacterial energy for biofilm formation and conjugation.
  • Biofilm energy fell 2.3-fold at 0.1 g/L ZnO at 48 h vs the control without metal.
  • ZnO prompts higher metal resistance energy allocation in the first 12 h.

Abstract

Plasmid-mediated bacterial conjugation is a significant driver of antimicrobial resistance (AMR) dissemination in the environment, particularly within surface-attached biofilms, where spatial proximity facilitates gene exchange. Environmental stressors, such as heavy metals, can influence both the structural development of biofilms and the frequency of conjugation, imposing metabolic burdens that force bacteria to reprioritize their energy use. In this study, we used a simplified Dynamic Energy Budget (DEB)-based modeling framework to evaluate energy allocation in a single-strain bacterial population exposed to varying concentrations of zinc oxide (ZnO; 0–0.1 g/L). The model incorporates substrate assimilation, reserve dynamics, and energy partitioning toward growth, maintenance, metal resistance, biofilm formation, and conjugation. Experimental data were collected every 12 h for 48 h, including total organic carbon (TOC, mg/L), biomass (CFU/mL), intracellular adenosine triphosphate (ATP, mol/mL), conjugation frequency (transconjugants/donor), and biofilm density (OD₅₅₀). Ordinary Differential Equation (ODE)–based simulations over 60 h showed that at 0.1 g/L ZnO, reserve energy and substrate declined approximately 3.1- and 1.9-fold, respectively (vs around 5- and 2.9-fold in control), indicating reduced depletion. Discrete-time-point flux models revealed conjugation demanded 17% of total energy at 36 h under 0.01 g/L ZnO, and 10% under 0.1 g/L at 60 h, while energy allocated to biofilm formation remained ≤ 3% under the highest ZnO concentration. Overall, the model reveals key trade-offs in bacterial energy allocation and provides mechanistic insight into how metal stress may shape biofilm formation and conjugation dynamics. Its modular and data-driven structure offers a basis for understanding microbial adaptation and AMR propagation in metal-contaminated environments.

1102水質管理
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