由印第安納大學(xué)研究人員于10月26日在“科學(xué)”雜志上發(fā)表的一項研究報告了一種確定細(xì)菌如何與表面接觸的新方法，這種行為觸發(fā)了生物膜的形成 - 多細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致人類和威脅關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，如供水和下水道系統(tǒng)。

據(jù)估計，生物膜導(dǎo)致約65%的人類感染，并導(dǎo)致每年數(shù)十億的醫(yī)療費用。在20世紀(jì)90年代早期，他們臭名昭著地在2100萬美國人的供水中扮演了不安全的大腸桿菌水平，最近，他們可能在密歇根州弗林特的幾次軍團(tuán)病爆發(fā)中發(fā)揮了作用。他們還經(jīng)常為全球霍亂疫情做出貢獻(xiàn)。

生物膜在工業(yè)中造成嚴(yán)重破壞，包括堵塞水過濾系統(tǒng)或通過“生物污染”車輛船體來減緩貨船的速度，僅在美國每年就要花費2000億美元。還有有益的生物膜，例如那些有助于消化或幫助分解環(huán)境中的有機物質(zhì)的生物膜。

由IU杰出生物學(xué)教授Yves Brun領(lǐng)導(dǎo)的研究人員發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌檢測和粘附于表面的方式。研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種誘導(dǎo)細(xì)菌認(rèn)為它們感知表面的方法。

該團(tuán)隊表明，細(xì)菌使用稱為菌毛的超薄毛發(fā)狀附屬物，從細(xì)胞延伸并動態(tài)收縮，感覺并粘在表面上，最終產(chǎn)生生物膜。在檢測到表面后，菌毛停止移動，之后細(xì)菌開始產(chǎn)生極其粘稠的物質(zhì)，或“生物粘附”，其驅(qū)動表面附著和生物膜形成。

為了愚弄細(xì)菌感染表面，Brun的團(tuán)隊在菌毛上附加了一個大的馬來酰亞胺分子，有效地阻止了毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)的運動。

“這就像試圖在中間通過一個洞拉一根繩子 - 馬來酰亞胺分子不能穿過細(xì)胞用來延伸和縮回菌毛的孔，”該研究的主要作者，博士作者Courtney Ellison說道。 .D。布倫實驗室的學(xué)生。

“這些結(jié)果告訴我們，細(xì)菌感覺表面就像一個漁民知道他們的生產(chǎn)線是如何被困在水下的，”布倫補充道。“只有當(dāng)他們卷入生產(chǎn)線時，他們感覺到緊張，這告訴他們他們的生產(chǎn)線被抓住了。細(xì)菌的菌毛是他們的釣魚線。”

由于該團(tuán)隊采用新方法觀察細(xì)菌如何利用菌毛傳播生物膜，這一發(fā)現(xiàn)是可能的。他們用專業(yè)交付的熒光染料完成了這一觀察 - 在較小的馬來酰亞胺分子背面?zhèn)鬟f - 揭示了這些微觀“四肢”的運動。

“通過使用熒光染料來標(biāo)記這些微觀結(jié)構(gòu)，我們能夠生成圖像，這些圖像顯示了菌毛用于檢測表面的第一個直接證據(jù)，”Brun說。

為了觀察菌毛的運動，IU團(tuán)隊必須克服挑戰(zhàn)：如何可視化極薄的結(jié)構(gòu)及其運動。他們通過將包含菌毛的氨基酸鏈中的單個氨基酸替換為另一個稱為半胱氨酸的氨基酸來實現(xiàn)這一點。將熒光染料遞送到菌毛蛋白的馬來酰亞胺與半胱氨酸結(jié)合。馬來酰亞胺也是用于將大分子遞送至菌毛蛋白中的半胱氨酸以物理阻斷菌毛運動的分子。

“這就像在黑暗的房間里開燈一樣，”埃里森說。“Pili由數(shù)千個稱為pilins的蛋白質(zhì)亞基組成，鏈中的每個蛋白質(zhì)由氨基酸組成，排列成一堆亂糟糟的圣誕燈。換掉一盞燈可照亮整個燈串。”

她補充說，設(shè)計一種半胱氨酸分子可以替代菌毛中的氨基酸，而不會影響菌毛的整體行為，這是一項重大挑戰(zhàn)。實驗中使用的細(xì)菌是Caulobacter crescentus，一種常用于實驗室實驗的細(xì)菌。

研究報告的共同作者，IU生物學(xué)助理教授Ankur Dalia說：“我們還在這項研究中使用這種方法來觀察由霍亂弧菌(一種引起霍亂的細(xì)菌)產(chǎn)生的三種菌毛。”“Pili對Vibrio毒性的許多方面至關(guān)重要，我們現(xiàn)在正在使用這個強大的工具來了解它們?nèi)绾问褂盟鼈儭?rdquo;

接下來，Brun及其同事希望揭示將菌毛運動和生物粘附生產(chǎn)聯(lián)系起來的精確機制，因為這兩個過程似乎相關(guān)，但這種聯(lián)系的確切性質(zhì)仍然未知。

“我們越了解生物膜形成和毒力的菌毛機制，我們就越能操縱這個過程來防止對人和財產(chǎn)的傷害，”布倫說。