Nat.Commun.|细菌形成的生物膜就像城市里的定居者一样
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通过使用超分辨率成像技术追踪生物膜的生长，宾夕法尼亚大学的研究人员发现生物膜的形成过程与城市化过程有相似之处。
图片来源: Geelsu hwang / 宾夕法尼亚大学
长期以来，微生物学家一直用类比人类居住方式的语言来描述细菌如何生存和生长:它们“入侵”和“殖民” 居住在一起形成“殖民地”。
通过将超分辨率成像技术与计算机算法相结合，《Nature Communications》杂志上的一项新研究证实，这种隐喻比科学家们可能意识到的更为贴切。研究结果表明，随着单个细菌的繁殖和生长形成密集粘性生物膜，例如形成牙菌斑的群落，它们的生长模式和生长动力学与城市生长模式相似。
宾夕法尼亚大学牙医学院教授、该项研究的资深作者 Hyun (Michel) Koo 说: “我们采取‘satellite-level’的观点，跟踪从最初定植到生物膜形成的表面分布的数百种细菌。”。 “值得注意的是，我们看到的是，它们增长的空间和结构特征与我们在城市化中看到的类似。”
这个关于生物膜如何生长的新观点可以帮助我们了解促进有益微生物生长，或者用治疗方法破坏和杀死不受欢迎的生物膜。
这项研究的想法来自于 Koo，宾夕法尼亚州牙科医学助理教授 Geelsu Hwang 和Koo 的实验室客座教授、物理学家 Amauri Paula。
“通常当人们研究生物膜时，他们会在一个狭窄的视野范围内分析单个细胞，随着它的繁殖，成为一个集群，并开始积聚，” Koo 说。 “但是我们想知道，如果我们同时追踪多个单独的细胞，我们是否能够在大尺度上识别一些模式。”
Hwang开发了强大的延时成像工具，利用共聚焦激光扫描显微分析仪能够分析表面形貌，并且随着时间的推移，跟踪细菌在表面到单个细胞的三维变化。与此同时，Paula致力于建立一个算法，可以分析随着时间的推移这种增长的行为。
在他们的研究中，他们使用了变形链球菌，这是一种口腔病原体，当它形成一种被称为牙菌斑的生物膜并释放出腐蚀牙釉质的酸时，就会引起龋齿。
他们将细菌分布在一种类似于牙釉质的物质上，并在几个小时内跟踪观察了数百个微生物的分裂和生长过程。
研究小组发现，总的来说，这种增长模式让人联想到城市地区的形成。一些个体“定居者”不断壮大，扩展成为小型细菌“村落”。 然后，随着村庄边界的扩大，在某些情况下，它们相遇，形成更大的村庄，最终形成“城市”。其中一些城市后来合并成更大的“特大城市”。
令研究人员惊讶的是，他们的结果表明只有一部分细菌在生长。 “我们认为，大多数单个细菌最终都会成长起来，” Koo表示。“但实际数字不到40% ，其余的要么相继死亡，要么被其他微型菌落吞噬。”
他们也没有预料到这种吞噬发生时缺乏抑制。他们认为，当不同的微菌落相遇时，它们可能会相互竞争，导致两个边缘可能相互排斥。
“相反，它们进行了合并，并开始成为一个整体。”。
在单个细菌和整个生物膜尺度上，研究人员证实了被称为胞外聚合物(EPS)的胶状分泌物使得细菌能够紧密而牢固地聚集在生物膜内。当他们引入一种能够消化 EPS 的酶时，这些细菌群落就会溶解并回到单个细菌的集合中。
“没有EPS，它们就失去了密集聚集和形成这些“城市”的能力。” Koo说。
最后，研究人员进行了实验，看看添加微生物“朋友”或“敌人”会如何影响原始细菌的生长。“敌人”是口腔链球菌，一种可以抑制变形链球菌生长的细菌。这大大削弱了变形链球菌形成更大的“城市”的能力，就像破坏性的邻居会影响社区的集体增长一样。
这个“朋友”是白色念珠菌，Koo 和其他人发现它能与变形链球菌产生生物膜相互作用，导致蛀牙，但它并没有影响生物膜的生长速度，反而有助于连接相邻的微生物群落，使得更大的“城市”得以发展。
Koo警告称，不要把“生物膜增长”比作城市化，但他强调，从整体上研究这个系统，以及从“近距离”和“鸟瞰”的角度来看待这些事件，可以得出一些有用的经验。
Koo表示: “这是一个有用的类比，但我们应该有所保留。”。“我们并不是说这些细菌是拟人化的。但从生物膜增长的角度来看，我们可以看到一幅多尺度、多维度的图景，它们是如何增长的，这是我们以前从未见过的。”
文献来源:
Amauri J. Paula et al, Dynamics of bacterial population growth in biofilms resemble spatial and structural aspects of urbanization, Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15165-4
新闻报道来源：
https://phys.org/news/2020-03-bacteria-biofilms-settlers-cities.html
作者：Katherine Unger Baillie, University of Pennsylvania
译文校稿：LuLu
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