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科学家们首先了解了细菌如何构建一个粘糊糊的生物膜堡垒

普林斯顿大学的研究人员首次揭示了细菌如何逐个细胞构建粘性肿块(称为生物膜)的机制。当被包裹在人体内的生物膜中时,细菌对抗生素的敏感性要低一千倍,使得某些感染(例如肺炎)难以治疗并且可能致命。在9月6日发表在美国国家科学院院刊上的一项研究中,普林斯顿大学的一个研究小组跟踪了一个细菌细胞,因为它成长为一个成熟的10,000细胞生物膜,具有有序的结构。这些发现应该有助于科学家们更多地了解细菌行为,并开辟用药物攻击生物膜的新方法。

科学家们首先了解了细菌如何构建一个粘糊糊的生物膜堡垒

普林斯顿分子生物学的高级作者,霍华德休斯医学研究所研究员,本文的高级作者邦妮巴斯勒说:“没有人会在活的生物膜内看到它,并且看着它逐个细胞地发育。” “通过本文,我们现在可以首次了解细菌群体是如何形成生物膜的。”

由于前博士后研究员克努特·德雷舍(Knut Drescher)在普林斯顿开创了一种特殊的显微镜方法,这种发现成为可能,该方法允许单细胞成像,让研究人员实时跟踪萌芽的生物膜。

“我们使用最先进的技术来研究生物膜生长的核心,”新研究的第一作者,博士后研究员Jing Yan表示。除了Bassler实验室的成员资格外,Yan还是由纸质高级合着者Howard Stone,Donald R. Dixon '69和普林斯顿机械和航空航天工程教授Elizabeth W. Dixon领导的Complex Fluids Group。由纸质资深作者Ned Wingreen,Howard A.生命科学的先前教授和普林斯顿的Lewis-Sigler综合基因组学研究所的代理主任进一步建议Yan。

“产生这篇论文的研究位于材料科学,工程学,物理学和生物学之间的前沿,代表了普林斯顿大学的一次精彩合作,”巴斯勒说。

与Yan,Bassler,Stone和Wingreen一起,该论文的第五位合着者是Andrew Sharo,他曾是普林斯顿大学物理系的本科生,现在加州大学伯克利分校。

研究人员选择霍乱弧菌作为其模型生物膜生物,因为它具有悠久的研究历史和对人类健康的威胁,导致腹泻病霍乱。霍乱弧菌是一种弯曲的杆状细菌,可作为咸淡水或咸水中的自由游动细胞。当霍乱弧菌与食物颗粒接触时,可能是在螃蟹或虾的壳上,或在疾病期间与人体肠细胞接触时,细菌会自我附着并开始繁殖。不断膨胀的殖民地成员分泌胶状物质,以防止被冲走,并保护自己免受竞争细菌的侵害。

以前努力研究新兴生物膜中细胞如何相互作用的努力因光学分辨率不足而失败; 基本上,一个细胞在不透明物质中所做的事情无法与其邻居区别开来。

普林斯顿大学的研究人员以多种方式克服了这个问题。首先,他们对细菌菌株进行基因改造,使细胞产生的蛋白质在被特定颜色的光照射时会发出明亮的光。选择的蛋白质提供最明亮的荧光,使每个细胞更容易被挑选,同时降低实验所需的潜在细胞损伤光的强度。

然后,研究小组使用了共聚焦显微镜,这是一种从一定距离聚焦在标本的单个部分上的装置。通过进行数百次这样的观察,可以将图像堆叠在一起以产生整个样本的三维图像。“这就像是深入了解生物膜的内部,而不必将其切开,”Yan说。

研究团队的另一个推动力来自最初为材料科学等领域开发的计算机算法。该算法区分了紧密聚集的光源,在这种情况下,在增厚的生物膜中存在许多聚集的霍乱弧菌细胞。

普林斯顿大学队看到的是非凡的。首先,细菌菌落在实验中在给定表面上水平扩展。当每个细胞分裂时,所得的子细胞与其亲本细胞一起牢固地附着在表面上。然而,由于越来越多的后代细菌挤压,扩张菌落中心的细胞被迫从表面脱离并垂直指向。因此,细菌菌落从平坦的二维质量变为膨胀的三维斑点,所有这些斑块都由发育中的生物膜中的粘粒保持在一起。

普林斯顿大学的研究小组深入研究了这种细胞行为背后的遗传学。被称为RbmA的单个基因是新细胞以这种方式连接以发展三维生物膜的行为的关键。当研究人员停用该基因时,会形成一个大的,弥散的和松软的生物膜。然而,当RbmA正常进行时,由于细胞彼此保持连接,导致更致密,更强的生物膜。因此,RbmA为生物膜提供了弹性,提供了可能成为治疗干预目标的潜在跟腱的洞察力。

正在进行的工作现在正在测量细胞在生物膜中心隆起所经历的物理力,因此可以精确地计算整体力学。“我们目前正在努力开发一个数学模型,用于研究细菌菌落如何及时生长,以及空间特征如何与生物膜的典型机械特征相关联,”Stone说。

研究人员还计划应用他们的新显微镜技术来研究人类疾病背后的其他生物膜形成细菌。一个例子:铜绿假单胞菌,是囊性纤维化患者致命肺部感染的主要原因。另一种病原体是金黄色葡萄球菌,通常称为葡萄球菌。有趣的是,这两种细菌如何制造生物膜的机制应该与霍乱弧菌不同。尽管铜绿假单胞菌细胞呈棒状霍乱弧菌,但它们有突起,有助于它们爬过表面。同时,金黄色细胞是球形的,因此它们不能通过它们的两极连接。

Yan和他的同事开创的技术可以帮助医学研究人员了解相同细菌生物膜的遗传差异成员和各种结构的生物膜的药物有效性。未来的工作可能会建议更好地分解保护膜的方法,以便抗生素可以完全渗透并消灭引起疾病的细菌。

该项目的支持部分由国家科学基金会,霍华德休斯医学研究所和国立卫生研究院提供。

“这篇论文为我们开启了一个前所未有的世界:生物膜的内部,”巴斯勒说。“我希望其他研究生物膜的研究人员能够利用这项技术迅速推动这一领域的发展。”

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