微生物學(xué)家長期以來一直采用人類居住的語言來描述細(xì)菌如何生活和生長：它們“入侵”并“殖民”。關(guān)系密切的關(guān)系是“殖民地”。通過將超分辨率成像技術(shù)與計(jì)算算法結(jié)合使用，Nature Communications的一項(xiàng)新研究證實(shí)了這種隱喻比科學(xué)家們可能已經(jīng)意識(shí)到的更貼切。研究結(jié)果表明，隨著單個(gè)細(xì)菌繁殖并生長成致密且粘稠的生物膜(例如形成牙菌斑的群落)，它們的生長方式和動(dòng)態(tài)與城市的增長相仿。

我們采取這種“衛(wèi)星水平”的觀點(diǎn)，跟隨數(shù)百種細(xì)菌從最初定居到生物膜形成的過程分布在表面上。我們所看到的是，它們的增長的空間和結(jié)構(gòu)特征非常類似于我們?cè)诔鞘谢兴吹降摹?rdquo;

關(guān)于生物膜如何生長的新觀點(diǎn)可以幫助促進(jìn)努力促進(jìn)有益微生物的生長，或者通過治療劑分解并殺死不良的生物膜。

這項(xiàng)研究的想法源于Koo之間的對(duì)話。Penn牙科醫(yī)學(xué)助理教授Geelsu Hwang，他將工程學(xué)應(yīng)用于口腔健康問題;物理學(xué)家Amauri Paula曾在Koo實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任客座教授。

Koo說：“通常，當(dāng)人們研究生物膜時(shí)，他們會(huì)在狹窄的視野中分析單個(gè)細(xì)胞，因?yàn)樗鼤?huì)繁殖，變成簇并開始聚集。” “但是我們想知道是否同時(shí)跟蹤多個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞，是否可以識(shí)別出較大的長度模式。”

Hwang開發(fā)了功能強(qiáng)大的延時(shí)成像工具，該工具采用了共聚焦激光掃描顯微鏡技術(shù)，能夠分析表面形貌并跟蹤隨時(shí)間推移在三個(gè)維度上向下擴(kuò)散到單個(gè)細(xì)胞的細(xì)菌。同時(shí)，Paula致力于建立一種算法，可以分析這種增長隨時(shí)間的行為。

在他們的研究中，他們使用了變形鏈球菌(Streptococcus mutans)微生物，它是一種口腔病原體，當(dāng)形成生物膜(通常稱為牙菌斑)并釋放出會(huì)腐蝕牙釉質(zhì)的酸時(shí)，會(huì)引起蛀牙。

他們將細(xì)菌散布在牙齒琺瑯質(zhì)的材料上，并在數(shù)小時(shí)內(nèi)隨著數(shù)百個(gè)個(gè)體微生物的分裂和生長而生長。

研究小組發(fā)現(xiàn)，總體而言，增長方式讓人聯(lián)想到城市地區(qū)的形成。一些個(gè)體的“定居者”成長為小細(xì)菌的“村莊”。然后，隨著村莊邊界的擴(kuò)大，在某些情況下會(huì)合，它們合并形成更大的村莊，最終形成“城市”。這些城市中的一些然后合并形成更大的“特大城市”。

令研究人員感到驚訝的是，他們的結(jié)果表明只有一部分細(xì)菌在生長。Koo說：“我們認(rèn)為大多數(shù)細(xì)菌最終都會(huì)生長。” “但是實(shí)際數(shù)字還不到40%，其余的要么消失，要么被其他小殖民地的增長所吞沒。”

他們也沒想到這種吞噬發(fā)生時(shí)會(huì)缺乏抑制。他們認(rèn)為，隨著不同的小殖民地的相遇，他們可能會(huì)相互競爭，導(dǎo)致兩條邊緣可能會(huì)排斥。

Koo說：“相反，它們合并并開始成長為一個(gè)整體。”

在單個(gè)細(xì)菌和整個(gè)生物膜范圍內(nèi)，研究人員都證實(shí)，稱為細(xì)胞外聚合物質(zhì)(EPS)的膠狀分泌物使細(xì)菌能夠在生物膜中緊密緊密地聚集在一起。當(dāng)他們引入一種可消化EPS的酶時(shí)，這些群落溶解并返回到單個(gè)細(xì)菌的集合中。

Koo說：“沒有EPS，它們將失去密集包裝和形成這些'城市'的能力。”

最后，研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以了解添加微生物“朋友”或“敵人”將如何影響原始細(xì)菌的生長。“敵人”是口頭鏈球菌，一種可以抑制變形鏈球菌生長的細(xì)菌。這種添加極大地削弱了變形鏈球菌形成更大的“城市” 的能力，例如破壞性鄰居可能影響社區(qū)的集體成長。

Koo和其他人發(fā)現(xiàn)這種“朋友”(一種真菌白念珠菌)與生物膜中的變形鏈球菌發(fā)生相互作用，并導(dǎo)致牙齒腐爛。它沒有影響生物膜的生長速度，但確實(shí)有助于橋接相鄰的微菌落，從而促進(jìn)了發(fā)育。較大的“城市”。

Koo告誡不要將生物膜生長的城市化比喻過分夸張，但要強(qiáng)調(diào)從整體研究系統(tǒng)并通過“特寫”和“鳥瞰”兩種觀點(diǎn)審視事件可能產(chǎn)生的有益經(jīng)驗(yàn)。

Koo說：“這是一個(gè)有用的類比，但應(yīng)帶一點(diǎn)鹽。” “我們并不是說這些細(xì)菌是擬人化的。但是，從生物膜生長的角度來看，這給了我們前所未有的多尺度，多維的圖像，說明了它們?nèi)绾紊L。”