表面结构影响细菌“颤振”

类似于人类组织中的细胞作为一个整体进行交流和功能，细菌也能够通过化学信号相互交流，这种行为被称为群体信号(QS)。这些化学信号通过细菌菌落达到一定密度后形成的生物膜传播，并用于帮助菌落清除食物，以及抵御抗生素等威胁。

“QS帮助他们在周围建立基础设施，就像一座城市一样，”乔纳森·斯韦德勒(CABBI/BSD/MMG)实验室的博士后研究员达尔梅什·帕尔马(Dharmesh Parmar)说，他是化学系詹姆斯·r·艾斯纳家族捐赠主席。“生物膜有通道，允许营养物质和化学信号形式的信息通过。如果环境中存在威胁或压力，它们还允许殖民地之间进行对话。”

生物膜的形成和随后对抗生素的耐药性对于免疫力较弱或患有囊性纤维化(CF)等疾病的人来说尤其危险，囊性纤维化会导致肺部粘液表面停滞，细菌更容易附着在上面。为了更好地了解在抗生素存在的情况下，是什么表面因素影响或潜在地抑制了生物膜的形成，来自伊利诺伊大学香槟分校斯韦德勒实验室的研究人员与圣母大学的合作者一起，通过QS测量了一种医院感染中常见的细菌的生物膜形成速度，铜绿假单胞菌．

铜绿假单胞菌在各种表面上迅速形成生物膜，这加速了菌落开始使用QS交流，并使抗生素治疗变得困难。此外,铜绿假单胞菌产生的生物膜厚度不同。“粘液样”菌株比非粘液样菌株产生更厚的生物膜，并且通常与CF患者的感染有关，CF是一种增加粘液粘度和在肺部积聚的遗传疾病。

在这项研究中，这两种菌株都生长在结构各异的人造表面上，一种是均匀的或“无图案”的，另一种是带有脊状块的“图案”。然后，研究人员测量了在抗生素存在或不存在的情况下，菌落开始与QS交流的速度。通过质谱和拉曼成像来检测QS，测量与行为相关的信号分子的存在。研究人员注意到的第一件事是抗生素减缓了生物膜的生长和在菌株和结构类型中QS分子的产生。接下来，研究人员发现表面类型对非黏液菌株有很大的影响，因为在QS分子表达达到峰值之前，这种模式结构与较长的潜伏期有关。对于较厚的粘液菌株则不是这样。

“虽然抗生素减缓生物膜生长的影响并不让我们感到惊讶，但对表面结构的巨大而不同的影响是惊人的，”Sweedler说。

“在非黏液菌株中，表面模式对QS信号特性有巨大影响，”Parmar补充道。“在类粘液的情况下，表面结构对其代谢特征的影响非常小。”

研究人员还探索了在平坦的表面上生长并暴露于抗生素时，QS信号分子在生物膜不同部分的分布是如何不同的。样本来自“静态生物膜”(生物膜附着在表面)、“上清液”(培养的液体培养基)和“膜生物膜”(在液体培养基上形成并与空气相互作用)。

研究人员发现，上清液和膜生物膜含有与应激反应相关的信号分子，而静态生物膜不含这些分子。研究人员认为，这是因为生物膜的液体成分允许细菌漂浮并在其他地方开始新的菌落，但在这个过程中，细菌也暴露在危险的情况下，比如抗生素的存在。

通过比较这些不同处理下生物膜生长过程中的QS行为，研究人员可以更好地了解这种细菌如何使用以及使用什么样的分子，并获得关于细菌生长的新见解。

”铜绿假单胞菌使用目前可用的抗生素来根除生物膜是相当具有挑战性的，因此我们这项研究的目标是了解控制这些生物膜的生长和稳定性的因素，以及细菌如何逃离这些生物膜结构，在新的位置定居。”

“我们使用的化学信息丰富的方法和分析技术使我们能够探测与生物膜形成相关的复杂分子事件。”Sweedler解释道。

研究小组表示，下一步是使用这些优化的分析技术来测量大鼠肺切片上的QS信号，而不是像目前研究中使用的那种预制结构。因为铜绿假单胞菌通常与CF患者的肺部感染有关，了解它如何在肺部形成生物膜可以帮助科学家设计方法来减缓或防止这些患者的细菌生长。Parmar描述了一个潜在的未来应用可能是工程医疗设备的表面，以阻止细菌粘附和生物膜的形成。这些发现也可以用来帮助防止生物污染，即细菌破坏或降解生物制品和表面。

参考:贾军，帕玛尔德，埃利斯，等。微图案粘蛋白对类黏液喹诺酮类和鼠李糖脂谱的影响铜绿假单胞菌在抗生素压力下。ACS感染病．2023; 9(1): 150 - 161。doi:10.1021 / acsinfecdis.2c00519

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