华人研究组Nature发现细菌“人海战术”

　　

生物通报道：细菌可以通过一种称为“分子胶水（molecular glue）”的方法，将其他细菌聚集在感染部位，从而连接成片，占领这一区域。来自加州大学洛杉矶分校，华盛顿大学等处的研究人员就解析了一种称为绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）的细菌如何粘附和移动的，这对于防治这种细菌感染具有重要意义，相关成果公布在5月9日Nature杂志上。

文章的第一作者是加州大学洛杉矶分校生物工程系赵昆（Kun Zhao，音译），以及华盛顿大学Boo Tseng Shen，通讯作者为加州大学洛杉矶分校黄知礼（Gerald C. L. Wong）教授等人。

绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）又称铜绿假单胞菌，是一种致病力较低但抗药性强的杆菌。这种细菌广泛存在于自然界，是伤口感染较常见的一种细菌，能引起化脓性病变。绿脓杆菌广泛分布于正常人皮肤、肠道和呼吸道，是临床上较常见的条件致病菌之一。

这种细菌难以治疗的一个主要原因就在于绿脓杆菌会聚集在一起，并在其周围布上一些基质蛋白，DNA和多糖基质，这些被称为称为生物膜biofilm，能保护它们躲避抗生素和机体的免疫攻击。

此前，黄教授等人发现当单个能自由游动的绿脓杆菌粘附在玻璃上的时候，就会开始沿着这一表面蠕动，并在上面留下一种称为Psl的多糖痕迹。

“这颇为令人惊讶，因为这在细菌的世界里有些不寻常，”文章作者，Matthew R. Parsek博士说，“而且这看起来很重要，但是问题在于这是否扮演了什么生物角色。”

因此为了弄清楚其中的奥秘，研究人员利用了一种特别设计的小空间，观察这些自由游动的绿脓杆菌如何在玻璃表面上移动的。然后，他们又通过视频显微镜追踪并分析细菌的行为。

“一些细菌固定不动，”Parsek说，“而另一些则好似随意移动，但是它们留下的痕迹会影响其他细菌的行为。”

一旦聚集了足够的细菌，约50个左右，那么这些细菌的行为就会发生改变，它们不再单个行动，而是组织成一种称为微聚集micro-colonies的结构，这也就是形成生物膜的第一步。

如果能阻止这些痕迹形成，或者干扰其作用，那么也许就能抑制生物膜的形成，这可能有助于预防这种细菌的感染，帮助治疗。

研究人员也希望能了解其他细菌种类是不是也存在这种多糖聚集信号。假单胞菌感染往往涉及其他细菌菌种，这可能解释了混合感染是如何发生的。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Psl trails guide exploration and microcolony formation in Pseudomonas aeruginosa biofilms

Bacterial biofilms are surface-associated, multicellular, morphologically complex microbial communities1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Biofilm-forming bacteria such as the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa are phenotypically distinct from their free-swimming, planktonic counterparts7, 8, 9, 10. Much work has focused on factors affecting surface adhesion, and it is known that P. aeruginosa secretes the Psl exopolysaccharide, which promotes surface attachment by acting as ‘molecular glue’11, 12, 13, 14, 15. However, how individual surface-attached bacteria self-organize into microcolonies, the first step in communal biofilm organization, is not well understood. Here we identify a new role for Psl in early biofilm development using a massively parallel cell-tracking algorithm to extract the motility history of every cell on a newly colonized surface16. By combining this technique with fluorescent Psl staining and computer simulations, we show that P. aeruginosa deposits a trail of Psl as it moves on a surface, which influences the surface motility of subsequent cells that encounter these trails and thus generates positive feedback. Both experiments and simulations indicate that the web of secreted Psl controls the distribution of surface visit frequencies, which can be approximated by a power law. This Pareto-type17 behaviour indicates that the bacterial community self-organizes in a manner analogous to a capitalist economic system18, a ‘rich-get-richer’ mechanism of Psl accumulation that results in a small number of ‘elite’ cells becoming extremely enriched in communally produced Psl. Using engineered strains with inducible Psl production, we show that local Psl concentrations determine post-division cell fates and that high local Psl concentrations ultimately allow elite cells to serve as the founding population for initial microcolony development.