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2024-09-03 14:11:06

物理学家确定控制生物膜生长的因素

导读 从粘在牙齿上的牙菌斑到池塘里的浮渣,生物膜几乎无处不在。这些细菌菌落生长在植入的医疗设备、我们的皮肤、耳机 透视 以及我们的肠道和肺部...

从粘在牙齿上的牙菌斑到池塘里的浮渣,生物膜几乎无处不在。这些细菌菌落生长在植入的医疗设备、我们的皮肤、耳机 透视 以及我们的肠道和肺部。它们可以在下水道和排水系统中、植物表面甚至海洋中找到。

佐治亚理工学院博士生 Aawaz Pokhrel表示:“一些研究表明,人体 80% 的感染可归因于生物膜中生长的细菌。”他是 一项开创性新研究的主要作者,该研究利用物理学研究这些生物膜如何生长。

本周, 《自然物理学》杂志发表了 一篇题为《细菌菌落生长的生物物理基础》的论文 ,该论文表明,生物膜的适应性(即其生长、扩张和从培养基或基质中吸收营养的能力)在很大程度上受到生物膜边缘与基质的接触角的影响。该研究还发现,这种几何形状对适应性的影响比其他任何因素都要大,包括细胞繁殖的速度。

“这对我们来说是个大惊喜,”通讯作者 、佐治亚理工学院物理学院副教授 Peter Yunker说。“我们预计几何形状将发挥重要作用,我们认为弄清楚几何形状究竟是什么对于理解为什么范围扩展率(例如,生物膜随时间扩散到表面的速率)是恒定的非常重要。但我们在开始这个项目时并没有想到几何形状会是最重要的因素。”

了解生物膜如何生长以及哪些因素影响其生长速度,可能有助于我们深入了解生物膜的控制方法,并将其应用于人类健康,例如减缓感染的传播或创造更清洁的表面。“让我兴奋的是,我有机会利用物理学来了解复杂的生物系统,”Pokhrel 补充道, 他也是 Yunker 实验室的博士生。“尤其是在一个有如此多应用的项目上。对人类健康的重要性和令人兴奋的研究相结合,对我来说真的很有趣。”

一种新方法

虽然生物膜在自然界中无处不在,但研究它们却很困难。由于这些“微生物之城”由微小的个体组成,科学家们很难成功地对它们进行成像。

2015 年,情况发生了变化,当时 Yunker 开始思考 干涉测量法(一种在物理学和材料科学中常用的成像技术)是否可以应用于生物膜。“鉴于我的物理学背景,我熟悉它在材料应用中的用途,”Yunker 回忆道。“我认为更广泛地应用这项技术可能会很有趣,因为我们从几十年的物理学中知道,表面界面包含大量有关创建它们的过程的信息。”

事实证明,该技术简单、有效且省时,能够提供纳米级的细菌菌落分辨率。“它让我们能够以超高分辨率获得细菌群落表面形状的图像,”Yunker 补充道。

利用干涉测量法,该团队开始进行新的生物膜实验,研究菌落形状如何随时间变化。共同第一作者 加比·斯坦巴赫(Gabi Steinbach)曾是云克实验室的博士后学者,现在是马里兰大学的科学研究协调员,她注意到每个菌落小的时候都有特定的形状:球形帽,就像球体顶部的切片,或者一滴水。这种形状在物理学中经常出现,这引起了团队的兴趣。

“物理学中的球形帽非常有趣,因为它是一种表面最小化的形状,”Pokhrel 补充道。“我很好奇为什么生物材料会以这种形状生长,我们开始想知道这其中是否有一些物理原理——也许与几何学有关。这让我们想到也许我们可以开发一个模型。这让我非常兴奋。”

数学之谜

然而,研究人员很快就遇到了障碍。“虽然我们一开始可以看到菌落呈球形,但随着它们的生长,它们的形状会发生变化,”Pokhrel 说。“而且它们生长成的形状很难用现有的球形几何形状来描述。”

“中间部分生长得不够快,无法保持球形帽的形状,我们想将这一切与范围扩张联系起来(菌落蔓延到表面的速度),”Yunker 补充道。“但我们知道,几何形状在某种程度上发挥着非常重要的作用。”

最后, 杨克实验室的前研究生、现为南加州大学博士后研究员、该论文的作者之一 托马斯·戴(Thomas Day)提出了一个称为餐巾环问题的奇怪几何问题。

“我们一开始思考餐巾环问题,就能够着手开发数学工具包,”Yunker 说道,尽管解决方案并非轻而易举。“我们找不到任何曾经研究过球形盖餐巾环的人,因为这种应用非常罕见。”

Pokhrel 与两位合著者一起负责研究几何形状。他发现细胞在形状的边缘呈指数增长,进一步扩展到培养基上,而中间的细胞则向上生长,形成一种类似于煎锅中的鸡蛋的形状——如果蛋清向外扩展,而蛋黄只会长得更高。

这是一个突破性的发现:由于中间的细胞仅对生物膜的高度有贡献,因此研究小组只需要考虑生物膜边缘有多少细胞,以及它们生长和扩散所需的形状。

在将他们的发现纳入数学模型后,研究小组发现接触角是最重要的因素:生物膜的边缘接触其生长表面时形成的角度。这种几何特性对生物膜的生长甚至比其繁殖细胞的速度更为重要。

物理学与生物学的联系

总的来说,这个项目从构思到出版花了三年多的时间。 “ Aawaz 确实付出了巨大的努力才完成这项工作,”Yunker 说。“这花了很多年,也进行了很多实验。但最终的产品绝对值得。”

研究团队希望这项研究能够为未来的研究铺平道路,从而实现控制生物膜生长等应用以帮助预防感染。

“展望未来,仍有许多研究途径,”Pokhrel 说。“例如,观察生物膜之间的竞争实验——较高的菌落是否会改变其接触角,以便它们能够更快地扩散?这种几何形状在竞争中起什么作用?”

“生物学很复杂,”Yunker 补充道。在自然界中,生物膜生长的表面可能不像实验室表面那样一致,菌落可能具有不同的突变或可能由多个物种组成。虽然该模型基于生物膜在受控实验室环境中的行为方式,但这是了解它们在自然界中的行为方式的关键第一步。