細(xì)菌利用蓮花效應(yīng)來(lái)保護(hù)自己

牙菌斑和排水管中粘稠的棕色粘液是細(xì)菌生物膜的兩個(gè)常見(jiàn)例子。從表面去除這種細(xì)菌沉積通常是非常困難的，部分原因是它們極其防水。來(lái)自慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)的一組科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)能夠展示這種生物膜如何調(diào)整其表面紋理以排斥水 - 類似于葉子。

細(xì)菌圍繞著自生化學(xué)結(jié)構(gòu)單元(聚合物)的外殼，以保護(hù)自己免受環(huán)境危害。細(xì)菌和它們產(chǎn)生的粘液的組合稱為生物膜。在表面形成生物膜的微生物已經(jīng)開(kāi)發(fā)出巧妙的策略，可防止自來(lái)水沖走。這不僅在排水管中而且在醫(yī)療植入物和管上都會(huì)成為主要問(wèn)題。

生物力學(xué)教授Oliver Lieleg教授和他在慕尼黑生物工程學(xué)院的研究小組“生物水凝膠”正在研究使細(xì)菌生物膜如此堅(jiān)韌的物理原理。在最近發(fā)表在NPJ Biofilms and Microbiomes雜志上的一項(xiàng)研究中，他們使用共焦反射光學(xué)顯微鏡精確測(cè)量了生物膜的表面。

營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)決定了生物膜的表面

“我們的第一個(gè)認(rèn)識(shí)是：并非所有生物膜都是相同的 - 即使它們是由同一種細(xì)菌生產(chǎn)的，”Oliver Lieleg說(shuō)。研究人員發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌枯草芽孢桿菌可以產(chǎn)生具有非常不同特性的生物膜：在某些情況下，水滴幾乎立即在表面上擴(kuò)散。在其他情況下，即使表面垂直傾斜，它們也會(huì)以球形珠子的形式從表面滾落或粘附到表面上。

該團(tuán)隊(duì)表明，微生物采用植物世界的技巧，即蓮花植物和玫瑰葉子的防水行為。Lieleg和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌膜的表面結(jié)構(gòu)確實(shí)與植物葉子的表面結(jié)構(gòu)非常相似。與葉子一樣，生物膜在微米和納米尺度上也具有粗糙結(jié)構(gòu)，使得它們不耐水潤(rùn)濕。

然而，植物葉子和生物膜在這方面都有所不同：當(dāng)存在蓮花效應(yīng)時(shí)，小水泡被困在水滴和葉子表面之間，而這在玫瑰花瓣效應(yīng)中不會(huì)發(fā)生。這就是為什么水滴從荷葉上滾落但堅(jiān)持玫瑰花瓣的原因。生物膜是否更像荷葉或玫瑰花瓣取決于生長(zhǎng)過(guò)程中細(xì)菌可獲得的營(yíng)養(yǎng)，因?yàn)檫@決定了生物膜的精確表面結(jié)構(gòu)。

一種抗擊生物膜的新方法

生物膜中的細(xì)菌通常難以用抗生素和其他化學(xué)物質(zhì)殺死。在某種程度上，細(xì)菌耐藥性的增加是造成這種情況的罪魁禍?zhǔn)?。研究人員現(xiàn)在提出解決生物膜的防水性能：“抗菌物質(zhì)不能工作，如果它是無(wú)法達(dá)成的表面生物膜，因?yàn)樗鼭L降。因此，我們需要對(duì)此進(jìn)行修改。水排斥表面的質(zhì)感，”奧利弗Lieleg解釋道。“這將是從表面如管，導(dǎo)管和感染傷口中去除生物膜的新方法。”

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