生物学家发现细菌的“触觉”

由印第安纳大学研究人员于10月26日在“科学”杂志上发表的一项研究报告了一种确定细菌如何与表面接触的新方法，这种行为触发了生物膜的形成 - 多细胞结构导致人类和威胁关键基础设施，如供水和下水道系统。

据估计，生物膜导致约65%的人类感染，并导致每年数十亿的医疗费用。在20世纪90年代早期，他们臭名昭着地在2100万美国人的供水中扮演了不安全的大肠杆菌水平，最近，他们可能在密歇根州弗林特的几次军团病爆发中发挥了作用。他们还经常为全球霍乱疫情做出贡献。

生物膜在工业中造成严重破坏，包括堵塞水过滤系统或通过“生物污染”车辆船体来减缓货船的速度，仅在美国每年就要花费2000亿美元。还有有益的生物膜，例如那些有助于消化或帮助分解环境中的有机物质的生物膜。

由IU杰出生物学教授Yves Brun领导的研究人员发现了细菌检测和粘附于表面的方式。研究人员还发现了一种诱导细菌认为它们感知表面的方法。

该团队表明，细菌使用称为菌毛的超薄毛发状附属物，从细胞延伸并动态收缩，感觉并粘在表面上，最终产生生物膜。在检测到表面后，菌毛停止移动，之后细菌开始产生极其粘稠的物质，或“生物粘附”，其驱动表面附着和生物膜形成。

为了愚弄细菌感染表面，Brun的团队在菌毛上附加了一个大的马来酰亚胺分子，有效地阻止了毛发状结构的运动。

“这就像试图在中间通过一个洞拉一根绳子 - 马来酰亚胺分子不能穿过细胞用来延伸和缩回菌毛的孔，”该研究的主要作者，博士作者Courtney Ellison说道。 .D。布伦实验室的学生。

“这些结果告诉我们，细菌感觉表面就像一个渔民知道他们的生产线是如何被困在水下的，”布伦补充道。“只有当他们卷入生产线时，他们感觉到紧张，这告诉他们他们的生产线被抓住了。细菌的菌毛是他们的钓鱼线。”

由于该团队采用新方法观察细菌如何利用菌毛传播生物膜，这一发现是可能的。他们用专业交付的荧光染料完成了这一观察 - 在较小的马来酰亚胺分子背面传递 - 揭示了这些微观“四肢”的运动。

“通过使用荧光染料来标记这些微观结构，我们能够生成图像，这些图像显示了菌毛用于检测表面的第一个直接证据，”Brun说。

为了观察菌毛的运动，IU团队必须克服挑战：如何可视化极薄的结构及其运动。他们通过将包含菌毛的氨基酸链中的单个氨基酸替换为另一个称为半胱氨酸的氨基酸来实现这一点。将荧光染料递送到菌毛蛋白的马来酰亚胺与半胱氨酸结合。马来酰亚胺也是用于将大分子递送至菌毛蛋白中的半胱氨酸以物理阻断菌毛运动的分子。

“这就像在黑暗的房间里开灯一样，”埃里森说。“Pili由数千个称为pilins的蛋白质亚基组成，链中的每个蛋白质由氨基酸组成，排列成一堆乱糟糟的圣诞灯。换掉一盏灯可照亮整个灯串。”

她补充说，设计一种半胱氨酸分子可以替代菌毛中的氨基酸，而不会影响菌毛的整体行为，这是一项重大挑战。实验中使用的细菌是Caulobacter crescentus，一种常用于实验室实验的细菌。

研究报告的共同作者，IU生物学助理教授Ankur Dalia说：“我们还在这项研究中使用这种方法来观察由霍乱弧菌(一种引起霍乱的细菌)产生的三种菌毛。”“Pili对Vibrio毒性的许多方面至关重要，我们现在正在使用这个强大的工具来了解它们如何使用它们。”

接下来，Brun及其同事希望揭示将菌毛运动和生物粘附生产联系起来的精确机制，因为这两个过程似乎相关，但这种联系的确切性质仍然未知。

“我们越了解生物膜形成和毒力的菌毛机制，我们就越能操纵这个过程来防止对人和财产的伤害，”布伦说。