通過使用超分辨率成像技術(shù)追蹤生物膜的生長，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)生物膜的形成過程與城市化過程有相似之處。

圖片來源: Geelsu hwang / 賓夕法尼亞大學(xué)

長期以來，微生物學(xué)家一直用類比人類居住方式的語言來描述細(xì)菌如何生存和生長:它們“入侵”和“殖民” 居住在一起形成“殖民地”。

通過將超分辨率成像技術(shù)與計(jì)算機(jī)算法相結(jié)合，《Nature Communications》雜志上的一項(xiàng)新研究證實(shí)，這種隱喻比科學(xué)家們可能意識到的更為貼切。研究結(jié)果表明，隨著單個細(xì)菌的繁殖和生長形成密集粘性生物膜，例如形成牙菌斑的群落，它們的生長模式和生長動力學(xué)與城市生長模式相似。

賓夕法尼亞大學(xué)牙醫(yī)學(xué)院教授、該項(xiàng)研究的資深作者 Hyun (Michel) Koo 說: “我們采取‘satellite-level’的觀點(diǎn)，跟蹤從最初定植到生物膜形成的表面分布的數(shù)百種細(xì)菌?！薄?“值得注意的是，我們看到的是，它們增長的空間和結(jié)構(gòu)特征與我們在城市化中看到的類似。”

這個關(guān)于生物膜如何生長的新觀點(diǎn)可以幫助我們了解促進(jìn)有益微生物生長，或者用治療方法破壞和殺死不受歡迎的生物膜。

這項(xiàng)研究的想法來自于 Koo，賓夕法尼亞州牙科醫(yī)學(xué)助理教授 Geelsu Hwang 和Koo 的實(shí)驗(yàn)室客座教授、物理學(xué)家 Amauri Paula。

“通常當(dāng)人們研究生物膜時，他們會在一個狹窄的視野范圍內(nèi)分析單個細(xì)胞，隨著它的繁殖，成為一個集群，并開始積聚，” Koo 說。 “但是我們想知道，如果我們同時追蹤多個單獨(dú)的細(xì)胞，我們是否能夠在大尺度上識別一些模式?！?/strong>

Hwang開發(fā)了強(qiáng)大的延時成像工具，利用共聚焦激光掃描顯微分析儀能夠分析表面形貌，并且隨著時間的推移，跟蹤細(xì)菌在表面到單個細(xì)胞的三維變化。與此同時，Paula致力于建立一個算法，可以分析隨著時間的推移這種增長的行為。

在他們的研究中，他們使用了變形鏈球菌，這是一種口腔病原體，當(dāng)它形成一種被稱為牙菌斑的生物膜并釋放出腐蝕牙釉質(zhì)的酸時，就會引起齲齒。

他們將細(xì)菌分布在一種類似于牙釉質(zhì)的物質(zhì)上，并在幾個小時內(nèi)跟蹤觀察了數(shù)百個微生物的分裂和生長過程。

研究小組發(fā)現(xiàn)，總的來說，這種增長模式讓人聯(lián)想到城市地區(qū)的形成。一些個體“定居者”不斷壯大，擴(kuò)展成為小型細(xì)菌“村落”。 然后，隨著村莊邊界的擴(kuò)大，在某些情況下，它們相遇，形成更大的村莊，最終形成“城市”。其中一些城市后來合并成更大的“特大城市”。

令研究人員驚訝的是，他們的結(jié)果表明只有一部分細(xì)菌在生長。 “我們認(rèn)為，大多數(shù)單個細(xì)菌最終都會成長起來，” Koo表示?！暗珜?shí)際數(shù)字不到40% ，其余的要么相繼死亡，要么被其他微型菌落吞噬?！?/span>

他們也沒有預(yù)料到這種吞噬發(fā)生時缺乏抑制。他們認(rèn)為，當(dāng)不同的微菌落相遇時，它們可能會相互競爭，導(dǎo)致兩個邊緣可能相互排斥。

“相反，它們進(jìn)行了合并，并開始成為一個整體?！薄?/span>

在單個細(xì)菌和整個生物膜尺度上，研究人員證實(shí)了被稱為胞外聚合物(EPS)的膠狀分泌物使得細(xì)菌能夠緊密而牢固地聚集在生物膜內(nèi)。當(dāng)他們引入一種能夠消化 EPS 的酶時，這些細(xì)菌群落就會溶解并回到單個細(xì)菌的集合中。

“沒有EPS，它們就失去了密集聚集和形成這些“城市”的能力。” Koo說。

最后，研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，看看添加微生物“朋友”或“敵人”會如何影響原始細(xì)菌的生長?！皵橙恕笔强谇绘溓蚓环N可以抑制變形鏈球菌生長的細(xì)菌。這大大削弱了變形鏈球菌形成更大的“城市”的能力，就像破壞性的鄰居會影響社區(qū)的集體增長一樣。

這個“朋友”是白色念珠菌，Koo 和其他人發(fā)現(xiàn)它能與變形鏈球菌產(chǎn)生生物膜相互作用，導(dǎo)致蛀牙，但它并沒有影響生物膜的生長速度，反而有助于連接相鄰的微生物群落，使得更大的“城市”得以發(fā)展。

Koo警告稱，不要把“生物膜增長”比作城市化，但他強(qiáng)調(diào)，從整體上研究這個系統(tǒng)，以及從“近距離”和“鳥瞰”的角度來看待這些事件，可以得出一些有用的經(jīng)驗(yàn)。

Koo表示: “這是一個有用的類比，但我們應(yīng)該有所保留。”。“我們并不是說這些細(xì)菌是擬人化的。但從生物膜增長的角度來看，我們可以看到一幅多尺度、多維度的圖景，它們是如何增長的，這是我們以前從未見過的。”

文獻(xiàn)來源:

Amauri J. Paula et al, Dynamics of bacterial population growth in biofilms resemble spatial and structural aspects of urbanization, Nature Communications

https://www./articles/s41467-020-15165-4