挑戰(zhàn)常規(guī)！細(xì)菌利用遠(yuǎn)程電信號(hào)招募其他的細(xì)菌物種

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員發(fā)現(xiàn)生活在“生物膜（biofilm）”中的細(xì)菌給其他的細(xì)菌物種發(fā)送遠(yuǎn)程電信號(hào)，從而招募新的成員到它們的生物膜中。相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在Cell期刊中，論文標(biāo)題為“Species-Independent Attraction to Biofilms through Electrical Signaling”。

論文通信作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校分子生物學(xué)教授Gürol Süel說，“我們發(fā)現(xiàn)生物膜中的細(xì)菌能夠通過電信號(hào)積極地調(diào)節(jié)不同細(xì)菌物種的遷移行為。通過這種方式，生物膜中的細(xì)菌能夠?qū)h(yuǎn)離生物膜的細(xì)菌的行為實(shí)施遠(yuǎn)程的和動(dòng)態(tài)的控制。”

生物膜是一種由細(xì)菌和其他微生物群落在牙石等物體表面上形成的較薄結(jié)構(gòu)，高度抵抗化學(xué)物和抗生素。對(duì)于它們是如何形成的，它們?nèi)绾握心计渌奈⑸锖偷挚构?，人們知道的并不太多，然而了解它們的遷移行為具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，比如阻止牙齒上的牙石形成從而避免在醫(yī)院內(nèi)感染上葡萄球菌。

但是細(xì)菌能在它們的保護(hù)性生物膜中安置下來，并通過向外發(fā)送遠(yuǎn)程電信號(hào)招募其他的細(xì)菌。這一發(fā)現(xiàn)了科學(xué)家和一般公眾對(duì)這些所謂的低等生物的基本看法。

論文*作者、Süel實(shí)驗(yàn)室博士生Jacqueline Humphries說，“我們的研究證實(shí)生活在生物膜中的細(xì)菌做的事情類似于給朋友發(fā)送電子信息。事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)這種機(jī)制是普遍存在的。我們發(fā)現(xiàn)來自一種物種的細(xì)菌能夠發(fā)送遠(yuǎn)程電信號(hào)，從而會(huì)招募來自另一種物種的新成員。因此，我們鑒定出物種間信號(hào)傳遞的一種新機(jī)制和范例。”

研究人員在他們的研究中，通過將實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)建模整合在一起，發(fā)現(xiàn)由枯草芽孢桿菌單個(gè)物種組成的生物膜能夠通過電信號(hào)招募另一種不同的細(xì)菌物種：銅綠假單胞菌。

利用微流體生長腔室，研究人員記錄了枯草芽孢桿菌生物膜產(chǎn)生的鉀離子電信號(hào)將遠(yuǎn)離這種腔室的細(xì)銅綠假單胞菌吸引到這種發(fā)生電振動(dòng)的生物膜的邊緣。

2015年夏天，Süel和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)生物膜的電振動(dòng)解決了進(jìn)行合作的單個(gè)細(xì)胞之間的社會(huì)沖突，畢竟這些細(xì)胞彼此間也會(huì)競(jìng)爭(zhēng)食物。

位于生物膜外邊緣的細(xì)菌離生長所必需的營養(yǎng)物zui近，這可能導(dǎo)致位于生物膜內(nèi)部的細(xì)菌挨餓。但是研究人員已發(fā)現(xiàn)生物膜振動(dòng)產(chǎn)生一種他們稱之為“代謝協(xié)同依賴性（metabolic codependence）”的解決方法：周期性地抑制外圍的細(xì)菌生長，從而讓內(nèi)部的細(xì)菌獲得營養(yǎng)物。

此后不久，Süel和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)生活在生物膜中的細(xì)菌彼此間在電學(xué)上通過被稱作“離子通道”的蛋白進(jìn)行通信。這種通信方法類似于人大腦中的神經(jīng)元采用的電信號(hào)傳遞方法。

Süel團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)---生物膜中的細(xì)菌能夠利用遠(yuǎn)程電信號(hào)招募其他的細(xì)菌物種---可能不僅是這些發(fā)現(xiàn)中zui令人吃驚的部分，而且可能對(duì)于我們理解細(xì)菌如何影響人類健康起著至關(guān)重要的作用。

Süel說，“我們的發(fā)現(xiàn)提示著我們的腸道微生物組等細(xì)菌群落中復(fù)雜的物種組分可能通過電信號(hào)傳遞加以調(diào)節(jié)。細(xì)菌和人腸道細(xì)胞甚至可能在人腸道內(nèi)發(fā)生電學(xué)上的相互作用。我們的研究可能在未來導(dǎo)致人們開發(fā)出新的基于電學(xué)的生物醫(yī)學(xué)方法來控制細(xì)菌行為和細(xì)菌群落。”