受表面结构影响的生物膜上的细菌信号传导

与人体组织内的细胞作为一个整体进行通信和功能的方式类似，细菌也能够通过化学信号相互交流，这种行为称为群体信号(QS)。这些化学信号通过细菌菌落在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，以及防御抗生素等威胁。

“QS帮助他们在周围建立基础设施，就像一座城市，”化学系James R. Eiszner家族捐赠Jonathan Sweedler实验室的博士后研究员Dharmesh Parmar描述道。“生物膜具有通道，允许营养物质通过，并以化学信号的形式传递信息。如果环境中存在威胁或压力，它们还允许殖民地之间的串扰。

生物膜的形成和随后对抗生素的耐药性对于免疫力减弱或患有囊性纤维化(CF)等疾病的人来说尤其危险，这会导致肺部内的粘液表面停滞，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哪些表面因素影响或潜在抑制生物膜的形成，诺伊大学厄巴纳-香槟分校Sweedler实验室的研究人员与圣母大学的合作者一起，测量了在医院感染中常见的细菌铜绿假单胞菌中通过QS形成生物膜的速率。

铜绿假单胞菌在各种表面上迅速形成生物膜，当菌落开始使用QS进行交流时，这会加快速度，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的厚度可以不同。“粘液”菌株产生比非粘液菌株更厚的生物膜，并且通常与CF患者的感染有关，CF是一种增加粘液粘度和肺部积聚的遗传疾病。

在这项研究中，这两种菌株都是在结构不同的人造表面上生长的，一种是均匀的或“无图案的”，另一种是用脊状块“图案化”的。然后，研究人员测量了菌落在抗生素存在与否的情况下生长时能够开始与QS交流的速度。 使用质谱和拉曼成像检测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QS分子在菌株和结构类型的产生。接下来，研究人员发现表面类型对非粘液菌株有很大的影响，因为图案结构与QS分子表达达到峰值之前的更长的潜伏期有关。对于较厚的粘液菌株，情况并非如此。

“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和差异影响是惊人的，”Sweedler说。

“在非粘液菌株中，表面图案化对QS信号特性有巨大影响，”Parmar补充道。“在粘液的情况下，表面结构对其代谢特征的影响非常小。

研究人员还探索了当在平坦的表面上生长并暴露于抗生素时，QS信号分子在生物膜的不同部分的分布如何不同。样品取自“静态生物膜”，其中生物膜附着在表面，培养物的“上清液”或液体培养基，以及在液体培养基顶部形成并与空气相互作用的“薄膜生物膜”。

研究人员发现，上清液和薄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，但在此过程中，细菌也会暴露在威胁的情况下，例如抗生素的存在。

通过比较这些不同治疗中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使用的方式和类型分子，并获得有关细菌生长的新见解。

“使用目前可用的抗生素根除铜绿假单胞菌生物膜非常具有挑战性，因此我们这项研究的目标是了解控制这些生物膜生长和稳定性的因素是什么，以及细菌如何逃离这些生物膜结构以殖民新的位置，”Parmar解释说。

“我们使用的化学信息丰富的方法和分析技术使我们能够跨空间和时间探测与生物膜形成相关的这些复杂分子事件，”Sweedler解释说。

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，而不是像当前研究中使用的那些制造结构。由于铜绿假单胞菌通常与CF患者肺部感染有关，因此了解它如何在肺部形成生物膜可以帮助科学家设计减缓或预防这些患者细菌生长的方法。

Parmar描述了一个潜在的未来应用，可能是设计医疗设备的表面，以阻止细菌粘附和生物膜的形成。这些发现也可用于帮助防止生物污染，即细菌破坏或降解生物制品和表面。