掌控細胞悄悄話 攻破細菌生物膜(圖)

2020-11-23 搜狐網
科技日報今日視點

　　用彼此聽得懂的語言交談溝通，能讓人們達成共識一致行動，在微生物界也是如此。最近，美國德州農工大學研究人員掌握了一種細胞之間的「交談」方式，不僅能精確控制細菌產出化學產品，也能更有效地控制生物膜的形成和解體。這一發現在醫療、衛生和工業領域都有著巨大的應用價值，尤其使生物反應器技術向前邁進了一大步。研究論文發表在近日的《自然·通訊》網站上。

　　破解細菌生物膜

　　細菌在大多數時候並非以單個游離狀態存在，而是聚集粘結在一起，形成團塊。細菌本身只佔不到1/3的體積，餘下空間由細菌分泌的一種黏性物質佔據。科學家們將這種黏性物質以及被其黏結而成的細菌團塊稱為「生物膜」。

　　生物膜能保護細菌對抗外來危險，比如增強它們耐受抗生素的能力，但也是出了名地難分解。生物膜能生長在各種生物和非生物的表面，包括水下巖石、食物、牙齒（形成牙菌斑）、醫用生物移植材料（如膝蓋和髖關節等）。細菌生物膜會引起尿道炎、前列腺炎、腎結石、齲齒等多種疾病，往往還會反覆發作，極難徹底治癒。

　　領導這項研究的是美國德州農工大學化學工程系教授託馬斯·伍德和阿魯爾·傑亞拉曼等人。他們利用細菌之間發送和接收的特殊信號來引發生物膜的形成與分解。他們把一段取自綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）的基因插入到埃希氏菌（E. coli bacteria）中，使這些埃希氏菌能持續不斷地發出一種化學信號。正常情況下，埃希氏菌是不能製造這種信號的。他們還在埃希氏菌中插入了接收機制和一種開關，讓這種信號能持續不斷地廣播。

　　然後他們把轉基因細菌插入到環境中的生物膜裡，這些已有的生物膜也被改造得能接受這種化學信號。伍德解釋說，一旦接受這種信號，其中的細菌就會打破生物膜離開該處環境，從而有效破解這些生物膜。

　　「以前還從未有研究小組發現過一種蛋白質能破解生物膜，並將它們用在合成路線中。我們利用了細胞間的『交談』信號，對生物膜的控制達到了前所未及的程度。」伍德說。

　　儘管生物膜會給健康帶來嚴重威脅，但在工業中卻非常有用，比如製造替代燃料。伍德解釋說，生物膜堅固的特性讓它們成為製作生物反應器的理想材料，生物膜反應器可用來生產多種化學產品，如丙醇和丁醇。由於膜內細菌以葡萄糖為食，還能潛在地幫助改變生態。

　　讓細菌工廠代替化工廠

　　「我們的最終目標，是用細菌造出化工廠裡能造出來的所有產品。」伍德說，「要實現這一目標，未來的反應器是一種生物膜反應器。一旦有什麼意外情況，比如操作反應器的人突然咳嗽起來，也不會造成太大影響。當pH值降低時，生物膜仍能保持堅固，細胞也不會死。如果細胞不在生物膜內而是獨立生長，反應器內一有什麼變化，你就可能失去所有的細胞和它們的產品。」

　　但要想把這種技術落實到實際應用中，必須能控制多種與膜有關的變量：反應器中能生長多少膜？需要多長時間？不同生物膜的比例是多少？

　　「我們開發出一種新的生物膜反應器的縮微模型，能精確控制哪種細菌正在擴張，處在什麼時期，以及它們在生長過程中放出了哪種信號。」傑亞拉曼解釋說，「除了能控制反應器，這種技術還讓我們能以一種高流量的方式研究一些實驗條件，這對優化生物反應過程非常重要。」研究人員能操控細菌以更高密度生長，或者按某種特殊比例來培養它們。通過控制生物膜的形成和破解，還能讓反應器在限定時間內，從生產一種產品轉換為生產另一種，實現有效準確地生產、加工和提純，持續不斷地造出合乎要求的化學產品。

　　「下一步，我們想培養一個由不同菌群組成的「聯盟菌團」，生產複雜的化學產品。由其中一種菌群造出它的第一部分，另一種菌群造出它的第二部分，兩個菌群可以同時製造不可分開的兩種成分。要實現這一目標，菌群必須按照合適的比例組合，至今還沒有人能做到這一點。但現在利用我們的發現，就能夢想成真。」伍德說。

　　傑亞拉曼還指出，這些技術還能用於更多方面，如藥物發現、配製和藥物遞送等，還可模擬人體環境。比如人們吃下任何藥物，都要通過體內的微生物群落才能到達標靶，現在用這種模型，可以反過來按照預定目標和清除藥物分子的能力，評價這種聯盟菌團的效果。常麗君

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