站在黃石國(guó)家公園的人行道上，我欣賞到大棱鏡泉的沙子中的橙色，藍(lán)色和黃色的色調(diào)。附近的一個(gè)小標(biāo)志上寫著“細(xì)菌墊”。黃石公園的游客可能已經(jīng)注意到整個(gè)公園都有類似的標(biāo)志，但他們?cè)谇巴俨?，間歇泉，溫泉等道路上經(jīng)常被忽視。但是我腳下的這些五顏六色的結(jié)構(gòu)是我來(lái)的原因。好吧，我需要一個(gè)假期 - 還有什么比黃石更好的地方? - 但專業(yè)的好奇心與目的地有很大關(guān)系。我是一名微生物學(xué)家，我來(lái)看細(xì)菌墊。

更常見(jiàn)地稱為生物膜，這些緊密堆積的細(xì)菌群落與沙子和土壤等表面密切相關(guān)。術(shù)語(yǔ)“生物膜”表示薄的二維物質(zhì)，但這些群落具有與水通道交叉的微觀尺度的塔狀結(jié)構(gòu)，所有這些都被包裹在保護(hù)性的，自制的粘性層中。細(xì)菌在溝通和展示合作行為，讓人想起原始器官。

由于我在自然界中發(fā)現(xiàn)這些生物膜，視覺(jué)上令人驚嘆，這些細(xì)菌群落可能對(duì)人類健康有害。像我這樣的科學(xué)家正在研究這些細(xì)菌生物膜是如何形成和表現(xiàn)的，因此我們可以找到管理和控制它們的新方法。

生物膜就在我們身邊

雖然由肉眼看不見(jiàn)的細(xì)菌組成，但生物膜本身可以更大，范圍從不到一英寸到幾百英尺。黃石公園是我見(jiàn)過(guò)的最廣泛，最豐富多彩的生物膜的所在地，但這些細(xì)菌群落并非公園所獨(dú)有。生物膜可以在自然界的任何地方找到，可以看作疊層石，池塘浮渣和粘滑的層狀涂層巖石和溪流中的鵝卵石。

并且生物膜也不限于環(huán)境，因?yàn)榧?xì)菌將在水性條件下粘附到幾乎任何表面并且用粘液基質(zhì)包裹它們自身。實(shí)際上，生物膜對(duì)人造材料造成了許多問(wèn)題，例如船體，冷卻塔，污水處理廠，煉油廠，食品加工和飲料廠以及家用管道。您可能會(huì)在廚房或浴室清潔或維修時(shí)親眼看到它們，因?yàn)槟呐潘芎凸艿罆?huì)形成厚厚的粘性物質(zhì)。生物膜可能是一種真正的麻煩，導(dǎo)致生物污染和腐蝕。

我們周圍生物膜的普遍存在得到了以下發(fā)現(xiàn)的支持：大多數(shù)細(xì)菌(高達(dá)90%)更喜歡生活在表面相關(guān)的生物膜群落中而不是自由漂浮的個(gè)體細(xì)菌(我們稱之為浮游細(xì)菌)。

那么為什么細(xì)菌會(huì)形成社區(qū)呢?首先，數(shù)量有所增強(qiáng)。通過(guò)在其粘性保護(hù)中捆綁在一起，生物膜細(xì)菌可以保留在有利的位置或宿主，更好地抵抗?fàn)I養(yǎng)剝奪，壓力，干燥和捕食。與此同時(shí)，他們受益于增加的遺傳材料的合作和交流。

生物膜可以危害人體健康

生物膜與隱形眼鏡的污染有關(guān)，導(dǎo)致角膜潰瘍。它們與導(dǎo)致齲齒和牙周炎的牙菌斑有關(guān)。它們可以感染 手術(shù)部位，泌尿道，慢性和燒傷，以及囊性纖維化患者的肺部。他們喜歡殖民醫(yī)療設(shè)備，如導(dǎo)管，假肢關(guān)節(jié)和心臟瓣膜。

根據(jù)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的數(shù)據(jù)，超過(guò)65%的慢性炎癥和傳染病是由生物膜引起的。根據(jù)最近的研究，與生物膜相關(guān)的感染可以聲稱患有心臟病或癌癥。而且它們的成本很高，生物膜相關(guān)感染的治療范圍每年在全球范圍內(nèi)達(dá)到數(shù)十億。

為什么我們沒(méi)有更好的裝備來(lái)治療這種細(xì)菌感染?我的實(shí)驗(yàn)室和其他人的研究表明，當(dāng)細(xì)菌附著在表面并作為生物膜生長(zhǎng)時(shí)，它們會(huì)發(fā)生變化，正如它們表達(dá)的基因和它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)所證明的那樣。這種變化的后果之一是生物膜細(xì)菌對(duì)殺菌劑，消毒劑和抗生素的敏感性降低。

科學(xué)家認(rèn)為這種易感性降低有幾個(gè)原因。首先，包裹生物膜的粘性層可使消毒劑或抗微生物劑難以物理地到達(dá)細(xì)菌。此外，生物膜中的細(xì)菌經(jīng)歷高應(yīng)力水平而生長(zhǎng)相當(dāng)緩慢，這可能使大多數(shù)抗生素?zé)o效，因?yàn)樗鼈儍H對(duì)活躍生長(zhǎng)的細(xì)胞起作用。我最喜歡的理論是生活在生物膜中會(huì)改變細(xì)菌及其行為; 關(guān)于它們的活性基因和蛋白質(zhì)混合物的一些東西，使它們更有彈性。無(wú)論促成因素如何，生物膜中生長(zhǎng)的細(xì)菌對(duì)抗生素的抗性可能比浮游生長(zhǎng)的相同細(xì)菌高1000倍。

這種對(duì)抗微生物劑的深度耐受性 - 生物膜的標(biāo)志 - 是許多持續(xù)感染的根源，并且使得生物膜在醫(yī)療環(huán)境中極難控制。已經(jīng)證明常規(guī)療法在治療許多(如果不是大多數(shù))慢性生物膜感染方面是不充分的，主要是因?yàn)樗鼈円呀?jīng)針對(duì)浮游生長(zhǎng)的細(xì)菌而不是生物膜。

針對(duì)生物膜的新攻擊線

最近的研究結(jié)果表明，生物膜控制的一個(gè)有希望的新途徑是：生物膜生活方式的操縱。是的，對(duì)于細(xì)菌來(lái)說(shuō)，生物膜是生活方式的選擇。

當(dāng)一些浮游細(xì)菌粘附在表面上時(shí)，生物膜的生命方式就開(kāi)始了。一旦附著，這些細(xì)菌將分裂并生長(zhǎng)成更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu) - 生物膜。如果資源耗盡或生物膜過(guò)于擁擠，細(xì)菌就會(huì)逃脫，作為生存和傳播的手段。

這是他們生活方式的兩個(gè)極端，即開(kāi)始和結(jié)束，依戀和逃避，這已成為最近研究努力尋找打敗生物膜的方法的主要焦點(diǎn)。

在控制附著方面，許多研究都集中在開(kāi)發(fā)旨在首先防止在醫(yī)療設(shè)備上形成生物膜的新表面材料上。我們的想法是使設(shè)備的表面不粘，排斥或以其他方式對(duì)第一批開(kāi)創(chuàng)性細(xì)菌產(chǎn)生毒性。如果他們無(wú)法鎖定并獲得立足點(diǎn)，最終不會(huì)形成生物膜。含有膠體銀，抗生素或微刷的表面涂層可能使醫(yī)療器械不適合居住。

同樣地，尋找新化合物以防止附著或誘導(dǎo)逃避策略。研究人員開(kāi)始取得一些成功。

我自己的研究，以及賓厄姆頓大學(xué)和世界各地的同事，使我走上了另一條道路。我一直試圖了解細(xì)菌如何真正制造出這些神奇的生物膜結(jié)構(gòu)。他們需要哪些蛋白質(zhì)，聚合物和因子來(lái)協(xié)調(diào)他們的生活方式?我們從中學(xué)到了什么會(huì)讓我們操縱這種生物膜生活方式?

不太可能只有一種有效的治療策略來(lái)打敗生物膜。一方面，許多種細(xì)菌形成生物膜，它們都采用了一些不同的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)這種生活方式。例如，雖然細(xì)菌可以通過(guò)化學(xué)信號(hào)協(xié)調(diào)生物膜的形成，但是細(xì)菌如大腸桿菌或金黃色葡萄球菌使用的分子相當(dāng)顯著地不同。同樣，需要協(xié)調(diào)各種生物膜形成所需的物種特異性蛋白質(zhì)組。因此，當(dāng)我們針對(duì)個(gè)人特征時(shí)，我們的一些策略在一個(gè)群體上比另一個(gè)群體更好。

但生物膜細(xì)菌也有一些我們可以利用的共同特征，包括它們對(duì)溝通和協(xié)調(diào)的需求。建立生物膜，逃離生物膜或甚至生物膜生物膜需要在數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的細(xì)菌中進(jìn)行某種協(xié)調(diào)。他們可以通過(guò)使用化學(xué)語(yǔ)言或蛋白質(zhì)相互溝通來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。干擾細(xì)菌語(yǔ)言(雖然有很多)或干擾他們協(xié)調(diào)所需的關(guān)鍵因素已被證明是阻止或改變生物膜形成的成功策略，至少在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和一些臨床試驗(yàn)研究中。

同樣，重新利用細(xì)菌語(yǔ)言也顯示出了希望。例如，當(dāng)我們選擇細(xì)菌語(yǔ)言來(lái)表示“ 逃離生物膜! ”時(shí)，我們可以欺騙生物膜細(xì)菌放棄其保護(hù)性生活方式并再次轉(zhuǎn)變?yōu)楦∮渭?xì)胞。增加的好處是浮游細(xì)胞更容易受到抗生素的影響。

未來(lái)控制生物膜可能需要一種策略的組合，解決附著和逃避，使用和不使用抗生素和通訊阻滯劑，并且可能以或多或少適合不同細(xì)菌生活方式的方式。