Nature子刊：掌控細(xì)胞悄悄話 攻破細(xì)菌生物膜
日期：2012-01-16 08:49:04
用彼此聽得懂的語言交談溝通，能讓人們達(dá)成共識(shí)一致行動(dòng)，在微生物界也是如此。最近，美國德州農(nóng)工大學(xué)研究人員掌握了一種細(xì)胞之間的“交談”方式，不僅能精確控制細(xì)菌產(chǎn)出化學(xué)產(chǎn)品，也能更有效地控制生物膜的形成和解體。這一發(fā)現(xiàn)在醫(yī)療、衛(wèi)生和工業(yè)領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，尤其使生物反應(yīng)器技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。研究論文發(fā)表在近日的《自然·通訊》網(wǎng)站上。
破解細(xì)菌生物膜
細(xì)菌在大多數(shù)時(shí)候并非以單個(gè)游離狀態(tài)存在，而是聚集粘結(jié)在一起，形成團(tuán)塊。細(xì)菌本身只占不到1/3的體積，余下空間由細(xì)菌分泌的一種黏性物質(zhì)占據(jù)。科學(xué)家們將這種黏性物質(zhì)以及被其黏結(jié)而成的細(xì)菌團(tuán)塊稱為“生物膜”。
生物膜能保護(hù)細(xì)菌對(duì)抗外來危險(xiǎn)，比如增強(qiáng)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(yī)用生物移植材料（如膝蓋和髖關(guān)節(jié)等）。細(xì)菌生物膜會(huì)引起尿道炎、前列腺炎、腎結(jié)石、齲齒等多種疾病，往往還會(huì)反復(fù)發(fā)作，極難徹底治愈。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的是美國德州農(nóng)工大學(xué)化學(xué)工程系教授托馬斯·伍德和阿魯爾·杰亞拉曼等人。他們利用細(xì)菌之間發(fā)送和接收的特殊信號(hào)來引發(fā)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(xù)不斷地發(fā)出一種化學(xué)信號(hào)。正常情況下，埃希氏菌是不能制造這種信號(hào)的。他們還在埃希氏菌中插入了接收機(jī)制和一種開關(guān)，讓這種信號(hào)能持續(xù)不斷地廣播。
然后他們把轉(zhuǎn)基因細(xì)菌插入到環(huán)境中的生物膜里，這些已有的生物膜也被改造得能接受這種化學(xué)信號(hào)。伍德解釋說，一旦接受這種信號(hào)，其中的細(xì)菌就會(huì)打破生物膜離開該處環(huán)境，從而有效破解這些生物膜。
“以前還從未有研究小組發(fā)現(xiàn)過一種蛋白質(zhì)能破解生物膜，并將它們用在合成路線中。我們利用了細(xì)胞間的‘交談’信號(hào)，對(duì)生物膜的控制達(dá)到了前所未及的程度。”伍德說。
盡管生物膜會(huì)給健康帶來嚴(yán)重威脅，但在工業(yè)中卻非常有用，比如制造替代燃料。伍德解釋說，生物膜堅(jiān)固的特性讓它們成為制作生物反應(yīng)器的理想材料，生物膜反應(yīng)器可用來生產(chǎn)多種化學(xué)產(chǎn)品，如丙醇和丁醇。由于膜內(nèi)細(xì)菌以葡萄糖為食，還能潛在地幫助改變生態(tài)。
讓細(xì)菌工廠代替化工廠
“我們的最終目標(biāo)，是用細(xì)菌造出化工廠里能造出來的所有產(chǎn)品。”伍德說，“要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，未來的反應(yīng)器是一種生物膜反應(yīng)器。一旦有什么意外情況，比如操作反應(yīng)器的人突然咳嗽起來，也不會(huì)造成太大影響。當(dāng)pH值降低時(shí)，生物膜仍能保持堅(jiān)固，細(xì)胞也不會(huì)死。如果細(xì)胞不在生物膜內(nèi)而是獨(dú)立生長，反應(yīng)器內(nèi)一有什么變化，你就可能失去所有的細(xì)胞和它們的產(chǎn)品。”
但要想把這種技術(shù)落實(shí)到實(shí)際應(yīng)用中，必須能控制多種與膜有關(guān)的變量：反應(yīng)器中能生長多少膜？需要多長時(shí)間？不同生物膜的比例是多少？
“我們開發(fā)出一種新的生物膜反應(yīng)器的縮微模型，能精確控制哪種細(xì)菌正在擴(kuò)張，處在什么時(shí)期，以及它們?cè)谏L過程中放出了哪種信號(hào)。”杰亞拉曼解釋說，“除了能控制反應(yīng)器，這種技術(shù)還讓我們能以一種高流量的方式研究一些實(shí)驗(yàn)條件，這對(duì)優(yōu)化生物反應(yīng)過程非常重要。”研究人員能操控細(xì)菌以更高密度生長，或者按某種特殊比例來培養(yǎng)它們。通過控制生物膜的形成和破解，還能讓反應(yīng)器在限定時(shí)間內(nèi)，從生產(chǎn)一種產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)另一種，實(shí)現(xiàn)有效準(zhǔn)確地生產(chǎn)、加工和提純，持續(xù)不斷地造出合乎要求的化學(xué)產(chǎn)品。
“下一步，我們想培養(yǎng)一個(gè)由不同菌群組成的“聯(lián)盟菌團(tuán)”，生產(chǎn)復(fù)雜的化學(xué)產(chǎn)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(gè)菌群可以同時(shí)制造不可分開的兩種成分。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(diǎn)。但現(xiàn)在利用我們的發(fā)現(xiàn)，就能夢想成真。”伍德說。
杰亞拉曼還指出，這些技術(shù)還能用于更多方面，如藥物發(fā)現(xiàn)、配制和藥物遞送等，還可模擬人體環(huán)境。比如人們吃下任何藥物，都要通過體內(nèi)的微生物群落才能到達(dá)標(biāo)靶，現(xiàn)在用這種模型，可以反過來按照預(yù)定目標(biāo)和清除藥物分子的能力，評(píng)價(jià)這種聯(lián)盟菌團(tuán)的效果。
