细菌在生物膜中的排列会影响它们对抗生素的敏感性

许多细菌形成耐抗生素的黏液。详细描述黏液结构的研究可能有助于开发新的治疗方法。

　　

传统上，细菌被认为是单细胞生物，稀疏地分布在表面或悬浮在液体中，但在许多环境中，真正的细菌生长模式是在被称为生物膜的粘性簇中。生物膜的形成对人类是有用的，例如，它是生产康普茶的必要条件。但它往往会带来问题，因为它使控制细菌生长变得更加困难:当细菌细胞产生生物膜时，它就像一道屏障，抵御外部入侵者，使细菌对抗生素的耐受性更强。

直到最近，研究人员一直认为细菌在生物膜中是随机排列的，因为他们根本没有考虑过生物膜结构的问题。但哥伦比亚大学生物学教授Lars Dietrich实验室的新研究表明，形成生物膜的细菌实际上在这些粘稠的基质中有高度结构化的排列。

他们的意外发现可能为开发更好地针对耐抗生素细菌的新药铺平道路。

该论文的主要作者Dietrich教授说:“对于形成生物膜的细菌来说，这是一种阴阳权衡，因为生物膜可以抵御抗生素和其他威胁，但也可以阻止食物进入并喂养系统。这项研究为我们理解如何影响细菌细胞排列以及评估如何使它们对抗生素更敏感提供了重要的基础。”

这项新研究发表在《PLOS Biology》杂志上，详细介绍了由研究生Hannah Dayton牵头在Dietrich教授实验室进行的研究。这篇论文专门研究了一种重要的、常见的病原体，叫做铜绿假单胞菌。

该团队使用扫描电子显微镜和荧光显微镜配合细胞标记进行研究。他们发现，铜绿假单胞菌生物膜中的细胞是纵向排列的，并垂直于它们的生长基质。生长基质是细菌赖以生存的物质，含有它们赖以生存和生长的物质。他们还发现，改变细菌细胞表面的突变会破坏这种排列。

当他们测试从外部添加糖到完全形成的生物膜的效果时，他们观察到它的分布受到生物膜解剖结构的影响。细胞排列紊乱的突变细菌对生物膜内特定区域(也称为亚区)添加的糖或抗生素反应更灵敏。最后，他们表明，生物膜解剖结构的变化改变了结构内代谢活性峰值的位置。

总之，这些观察结果表明，生物膜微观结构是一种可以调节的特性，可以影响常驻细菌亚群的代谢，并影响该群体的整体生存。这些发现对我们治疗铜绿假单胞菌和其他生物膜形成病原体引起的感染的方法具有启示意义。

这项研究是与哥伦比亚大学化学教授魏敏的研究小组合作进行的;哥伦比亚大学生物学教授Raju Tomer；芝加哥大学教授Jasmine Nirody;以及纽约城市大学(CUNY)教授Anuradha Janakiraman。

“细胞的排列通常是生物膜形成的一个不被重视的方面，”Dayton说。“我们现在知道，它允许生物膜中的细菌控制它们的生理状态，并对它们在抗生素治疗期间的生存产生影响。”

Dietrich说:“这是一个有希望的发展，可以解决日益严重的抗生素耐药细菌问题。”

Cellular arrangement impacts metabolic activity and antibiotic tolerance in Pseudomonas aeruginosa biofilms