解开细菌生物膜的秘密 用来对抗它们

站在黄石国家公园的人行道上，我欣赏到大棱镜泉的沙子中的橙色，蓝色和黄色的色调。附近的一个小标志上写着“细菌垫”。黄石公园的游客可能已经注意到整个公园都有类似的标志，但他们在前往瀑布，间歇泉，温泉等道路上经常被忽视。但是我脚下的这些五颜六色的结构是我来的原因。好吧，我需要一个假期 - 还有什么比黄石更好的地方? - 但专业的好奇心与目的地有很大关系。我是一名微生物学家，我来看细菌垫。

更常见地称为生物膜，这些紧密堆积的细菌群落与沙子和土壤等表面密切相关。术语“生物膜”表示薄的二维物质，但这些群落具有与水通道交叉的微观尺度的塔状结构，所有这些都被包裹在保护性的，自制的粘性层中。细菌在沟通和展示合作行为，让人想起原始器官。

由于我在自然界中发现这些生物膜，视觉上令人惊叹，这些细菌群落可能对人类健康有害。像我这样的科学家正在研究这些细菌生物膜是如何形成和表现的，因此我们可以找到管理和控制它们的新方法。

生物膜就在我们身边

虽然由肉眼看不见的细菌组成，但生物膜本身可以更大，范围从不到一英寸到几百英尺。黄石公园是我见过的最广泛，最丰富多彩的生物膜的所在地，但这些细菌群落并非公园所独有。生物膜可以在自然界的任何地方找到，可以看作叠层石，池塘浮渣和粘滑的层状涂层岩石和溪流中的鹅卵石。

并且生物膜也不限于环境，因为细菌将在水性条件下粘附到几乎任何表面并且用粘液基质包裹它们自身。实际上，生物膜对人造材料造成了许多问题，例如船体，冷却塔，污水处理厂，炼油厂，食品加工和饮料厂以及家用管道。您可能会在厨房或浴室清洁或维修时亲眼看到它们，因为您的排水管和管道会形成厚厚的粘性物质。生物膜可能是一种真正的麻烦，导致生物污染和腐蚀。

我们周围生物膜的普遍存在得到了以下发现的支持：大多数细菌(高达90%)更喜欢生活在表面相关的生物膜群落中而不是自由漂浮的个体细菌(我们称之为浮游细菌)。

那么为什么细菌会形成社区呢?首先，数量有所增强。通过在其粘性保护中捆绑在一起，生物膜细菌可以保留在有利的位置或宿主，更好地抵抗营养剥夺，压力，干燥和捕食。与此同时，他们受益于增加的遗传材料的合作和交流。

生物膜可以危害人体健康

生物膜与隐形眼镜的污染有关，导致角膜溃疡。它们与导致龋齿和牙周炎的牙菌斑有关。它们可以感染 手术部位，泌尿道，慢性和烧伤，以及囊性纤维化患者的肺部。他们喜欢殖民医疗设备，如导管，假肢关节和心脏瓣膜。

根据美国国立卫生研究院的数据，超过65%的慢性炎症和传染病是由生物膜引起的。根据最近的研究，与生物膜相关的感染可以声称患有心脏病或癌症。而且它们的成本很高，生物膜相关感染的治疗范围每年在全球范围内达到数十亿。

为什么我们没有更好的装备来治疗这种细菌感染?我的实验室和其他人的研究表明，当细菌附着在表面并作为生物膜生长时，它们会发生变化，正如它们表达的基因和它们产生的蛋白质所证明的那样。这种变化的后果之一是生物膜细菌对杀菌剂，消毒剂和抗生素的敏感性降低。

科学家认为这种易感性降低有几个原因。首先，包裹生物膜的粘性层可使消毒剂或抗微生物剂难以物理地到达细菌。此外，生物膜中的细菌经历高应力水平而生长相当缓慢，这可能使大多数抗生素无效，因为它们仅对活跃生长的细胞起作用。我最喜欢的理论是生活在生物膜中会改变细菌及其行为; 关于它们的活性基因和蛋白质混合物的一些东西，使它们更有弹性。无论促成因素如何，生物膜中生长的细菌对抗生素的抗性可能比浮游生长的相同细菌高1000倍。

这种对抗微生物剂的深度耐受性 - 生物膜的标志 - 是许多持续感染的根源，并且使得生物膜在医疗环境中极难控制。已经证明常规疗法在治疗许多(如果不是大多数)慢性生物膜感染方面是不充分的，主要是因为它们已经针对浮游生长的细菌而不是生物膜。

针对生物膜的新攻击线

最近的研究结果表明，生物膜控制的一个有希望的新途径是：生物膜生活方式的操纵。是的，对于细菌来说，生物膜是生活方式的选择。

当一些浮游细菌粘附在表面上时，生物膜的生命方式就开始了。一旦附着，这些细菌将分裂并生长成更复杂的三维结构 - 生物膜。如果资源耗尽或生物膜过于拥挤，细菌就会逃脱，作为生存和传播的手段。

这是他们生活方式的两个极端，即开始和结束，依恋和逃避，这已成为最近研究努力寻找打败生物膜的方法的主要焦点。

在控制附着方面，许多研究都集中在开发旨在首先防止在医疗设备上形成生物膜的新表面材料上。我们的想法是使设备的表面不粘，排斥或以其他方式对第一批开创性细菌产生毒性。如果他们无法锁定并获得立足点，最终不会形成生物膜。含有胶体银，抗生素或微刷的表面涂层可能使医疗器械不适合居住。

同样地，寻找新化合物以防止附着或诱导逃避策略。研究人员开始取得一些成功。

我自己的研究，以及宾厄姆顿大学和世界各地的同事，使我走上了另一条道路。我一直试图了解细菌如何真正制造出这些神奇的生物膜结构。他们需要哪些蛋白质，聚合物和因子来协调他们的生活方式?我们从中学到了什么会让我们操纵这种生物膜生活方式?

不太可能只有一种有效的治疗策略来打败生物膜。一方面，许多种细菌形成生物膜，它们都采用了一些不同的策略来实现这种生活方式。例如，虽然细菌可以通过化学信号协调生物膜的形成，但是细菌如大肠杆菌或金黄色葡萄球菌使用的分子相当显着地不同。同样，需要协调各种生物膜形成所需的物种特异性蛋白质组。因此，当我们针对个人特征时，我们的一些策略在一个群体上比另一个群体更好。

但生物膜细菌也有一些我们可以利用的共同特征，包括它们对沟通和协调的需求。建立生物膜，逃离生物膜或甚至生物膜生物膜需要在数以百万计的细菌中进行某种协调。他们可以通过使用化学语言或蛋白质相互沟通来实现这一目标。干扰细菌语言(虽然有很多)或干扰他们协调所需的关键因素已被证明是阻止或改变生物膜形成的成功策略，至少在实验室环境和一些临床试验研究中。

同样，重新利用细菌语言也显示出了希望。例如，当我们选择细菌语言来表示“ 逃离生物膜! ”时，我们可以欺骗生物膜细菌放弃其保护性生活方式并再次转变为浮游细胞。增加的好处是浮游细胞更容易受到抗生素的影响。

未来控制生物膜可能需要一种策略的组合，解决附着和逃避，使用和不使用抗生素和通讯阻滞剂，并且可能以或多或少适合不同细菌生活方式的方式。