牙菌斑、肠道细菌和河石上光滑的光泽都是生物膜的例子，生物膜是有组织的微生物群落，它们在我们的身体和周围的世界中定殖。宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究准确揭示了生长的生物膜如何塑造其环境并微调其内部结构以适应周围环境。这些发现可能对多种应用产生影响，从对抗疾病到设计新型活性活性材料。
“就细菌而言，它们会生长、分裂，并对彼此及其周围环境施加力，”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学以及生物医学工程教授、一篇有关这一发现的论文的通讯作者苏林·张(Sulin Zhang)说，最近发表在《自然物理学》杂志上 。“因此，生长的细菌有可能塑造环境，改变它们生存的环境，因此我们有兴趣了解生长的生物膜与其生长环境之间的相互作用。”
张与麻省理工学院和耶鲁大学的跨学科研究团队合作，从各个方面研究这种相互作用：理论、实验和计算。研究人员使用可引起霍乱的霍乱弧菌产生的生物膜作为模型系统，以展示 3D 生长系统的自塑造和自组织能力。
张解释说，在自然界中，生物膜往往在狭窄、有限的空间中生长，因此研究小组在柔软的水凝胶和坚硬的玻璃基材之间生长生物膜。他们利用单细胞成像、基于代理的模拟和连续介质力学理论分析了不断生长的生物膜。研究人员发现，生物膜将自身及其边界塑造成一种被称为“活性向列”的有效结构，即自驱动分子以平行线而不是层的形式排列。
“我们发现生物膜利用生长引起的压力来塑造其环境并创建向列结构，”耶鲁大学分子、细胞和发育生物学助理教授、该论文的共同通讯作者 Jing Yan 说。“这使我们更接近于控制生物膜的形态、堆积和排序。”
张解释说，了解生物膜生长、生长产生的压力及其环境之间的反馈循环，可以为控制有益生物膜的生长、消除有害生物膜，甚至开发能够响应的新型活性生长材料铺平道路。 ——并积极改变——他们的环境。”
严补充说，这在医疗保健领域是特别有价值的信息。生物膜在人类和动物的疾病生长中发挥着重要作用，因为它们可以逃避免疫反应。细菌生物膜的协调性质使其对传统抗生素具有高度耐药性，因此极难治疗。事实上，根据微生物学会的数据，大多数慢性抗生素耐药性感染是由生物膜引起的 。
“当细菌进入体内时，它们会以生物膜的形式生长成感染，并且它们处于一个封闭的环境中：你的肠道，”严说。
他补充说，更好地了解生物膜驱动的疾病如何在这种环境中生长，将使研究人员能够开发新的方法来破坏这种生长。
“我们所学到的知识将有助于制定应对这些感染的策略，”宾夕法尼亚州立大学计算力学博士生、该论文的合著者李昌浩说。“这里发现的现象可能会导致抑制有害生物膜生长的新策略，并使我们有能力设计和编程有益的生物膜。”
这篇论文的其他作者是耶鲁大学的 Japinder Nijjer、Qituting Chang 和 Jung-Shen B. Tai;麻省理工学院的 Mrityunjay Kothari、Thomas Henzel 和 Tal Cohen;和新罕布什尔大学的周爽。国立卫生研究院和查尔斯·H·雷夫森基金会资助了这项工作。
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