細菌在生物膜中的排列會影響它們對抗生素的敏感性

傳統(tǒng)上，細菌被認為是單細胞生物，稀疏地分布在表面或懸浮在液體中，但在許多環(huán)境中，真正的細菌生長模式是在被稱為生物膜的粘性簇中。生物膜的形成對人類是有用的，例如，它是生產(chǎn)康普茶的必要條件。但它往往會帶來問題，因為它使控制細菌生長變得更加困難:當細菌細胞產(chǎn)生生物膜時，它就像一道屏障，抵御外部入侵者，使細菌對抗生素的耐受性更強。

直到最近，研究人員一直認為細菌在生物膜中是隨機排列的，因為他們根本沒有考慮過生物膜結(jié)構(gòu)的問題。但哥倫比亞大學(xué)生物學(xué)教授Lars Dietrich實驗室的新研究表明，形成生物膜的細菌實際上在這些粘稠的基質(zhì)中有高度結(jié)構(gòu)化的排列。

他們的意外發(fā)現(xiàn)可能為開發(fā)更好地針對耐抗生素細菌的新藥鋪平道路。

該論文的主要作者Dietrich教授說:“對于形成生物膜的細菌來說，這是一種陰陽權(quán)衡，因為生物膜可以抵御抗生素和其他威脅，但也可以阻止食物進入并喂養(yǎng)系統(tǒng)。這項研究為我們理解如何影響細菌細胞排列以及評估如何使它們對抗生素更敏感提供了重要的基礎(chǔ)。”

這項新研究發(fā)表在《PLOS Biology》雜志上，詳細介紹了由研究生Hannah Dayton牽頭在Dietrich教授實驗室進行的研究。這篇論文專門研究了一種重要的、常見的病原體，叫做銅綠假單胞菌。

該團隊使用掃描電子顯微鏡和熒光顯微鏡配合細胞標記進行研究。他們發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌生物膜中的細胞是縱向排列的，并垂直于它們的生長基質(zhì)。生長基質(zhì)是細菌賴以生存的物質(zhì)，含有它們賴以生存和生長的物質(zhì)。他們還發(fā)現(xiàn)，改變細菌細胞表面的突變會破壞這種排列。

當他們測試從外部添加糖到完全形成的生物膜的效果時，他們觀察到它的分布受到生物膜解剖結(jié)構(gòu)的影響。細胞排列紊亂的突變細菌對生物膜內(nèi)特定區(qū)域(也稱為亞區(qū))添加的糖或抗生素反應(yīng)更靈敏。最后，他們表明，生物膜解剖結(jié)構(gòu)的變化改變了結(jié)構(gòu)內(nèi)代謝活性峰值的位置。

總之，這些觀察結(jié)果表明，生物膜微觀結(jié)構(gòu)是一種可以調(diào)節(jié)的特性，可以影響常駐細菌亞群的代謝，并影響該群體的整體生存。這些發(fā)現(xiàn)對我們治療銅綠假單胞菌和其他生物膜形成病原體引起的感染的方法具有啟示意義。

這項研究是與哥倫比亞大學(xué)化學(xué)教授魏敏的研究小組合作進行的;哥倫比亞大學(xué)生物學(xué)教授Raju Tomer；芝加哥大學(xué)教授Jasmine Nirody;以及紐約城市大學(xué)(CUNY)教授Anuradha Janakiraman。

“細胞的排列通常是生物膜形成的一個不被重視的方面，”Dayton說。“我們現(xiàn)在知道，它允許生物膜中的細菌控制它們的生理狀態(tài)，并對它們在抗生素治療期間的生存產(chǎn)生影響。”

Dietrich說:“這是一個有希望的發(fā)展，可以解決日益嚴重的抗生素耐藥細菌問題。”

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