浙江
細菌也會做“水凝膠炮彈”？從水母刺細胞到細菌“噴射”的驚人巧合
細菌生物膜是導致慢性感染和抗生素耐藥性的一大難題。這些微生物群落被自身分泌的胞外基質（ECM）包裹，如同筑起一座堡壘，使其能夠抵御抗生素和宿主免疫系統的攻擊。長期以來，科學界對生物膜如何形成已有深入理解，但其分散過程——即細胞如何脫離群落——卻知之甚少。傳統觀點認為，生物膜的分散主要是通過酶解作用降解胞外基質，導致整個群落“溶解”和全局性擴散。然而，生物膜內部細胞狀態存在空間異質性，這引出一個關鍵問題：這種差異是否會導致一種局部而非全局的、全新的分散機制？
加利福尼亞大學圣迭戈分校Gürol M. Süel教授課題組發現，枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的生物膜能夠利用一種自產的水凝膠——聚-γ-谷氨酸（γ-PGA），通過物理力量將特定類型的細胞局部、定向地“噴射”出去。這一機制不僅揭示了生物膜分散的新途徑，更出乎意料地發現其與水母等刺胞動物用于發射刺細胞的物理原理驚人相似。相關論文以“Self-generated hydrogel ejects bacterial cells for localized biofilm dispersion”為題，發表在Nature Microbiology上。
為了在單細胞水平上觀察生物膜的動態，研究團隊設計了一種毫米尺度的微流控生長室。他們發現，當生物膜經歷短暫的營養缺乏后，一種定向的局部分散現象被觸發：細胞并非從生物膜整體上脫落，而是從內部沿特定路徑向外定向涌出（圖1c-f）。通過粒子圖像測速技術分析，這種運動明確來自生物膜內部，并向外流動，而非全局性的瓦解。
圖1 | 細菌生物膜經歷局部分散。
進一步研究表明，這些噴射出的細胞主要是位于生物膜內部的運動型細胞（圖2b）。然而，一個意外的發現是，當敲除編碼鞭毛蛋白的* hag 基因后，雖然細胞喪失了主動游泳能力，但生物膜依然能發生分散（圖3d）。這說明，細胞身份（運動型）是關鍵，但主動游動并非驅動力。研究團隊將目光投向了運動型細胞產生的另一種物質——γ-PGA。當他們敲除負責合成γ-PGA的 capBCAE *操縱子后，生物膜的分散現象完全消失（圖3f），而添加一種電荷中性的滲透調節劑山梨醇來競爭水分、抑制γ-PGA水凝膠膨脹，也同樣能阻止分散（圖3h），這證實了γ-PGA膨脹產生的滲透壓是驅動分散的核心力量。
圖2 | 分散區域由運動型細胞組成。
圖3 | γ-PGA驅動局部分散而不需要基質降解。
為了驗證這一假說，研究人員構建了γ-PGA過表達菌株（在添加了D-谷氨酸和誘導劑的培養基中培養）。該菌株產生的生物膜內部出現了大量因細胞被推開而形成的空隙（圖4a）。受到刺胞動物利用pH變化控制γ-PGA體積的啟發，研究人員通過每10分鐘交替改變培養基的pH值（7和4），成功地讓這些空隙發生可逆的膨脹與收縮，生動地展示了γ-PGA水凝膠的動態物理特性（圖4c-f）。數學模型進一步預測，γ-PGA的過度表達將導致生物膜全局性崩解（圖5c；圖5b則展示了野生型在饑餓條件下的模擬結果作為對照）。實驗證實了這一點：在避免觸發自然分散的條件下，γ-PGA過表達菌株的生物膜會不斷分裂成眾多小細胞團塊并被沖走，而野生型菌株則保持完整（圖6a-e）。
圖4 | γ-PGA膨脹將細胞推開。
圖5 | 數學模型重現分散并預測生物膜破裂。
這項研究揭示了生物膜分散的一種全新物理機制：利用自產的γ-PGA水凝膠的膨脹力，實現特定細胞群體的局部釋放。這種策略與依賴酶解的全盤分散截然不同，它允許生物膜在保留主體結構的同時，“押注”性地釋放部分細胞去開拓新環境。更令人驚嘆的是，這一機制與刺胞動物（如水母）發射刺細胞的過程在分子和物理層面驚人地相似（圖6f, g），顯示了生物策略在進化中的趨同性。該發現為開發新型抗菌策略提供了新思路——通過調控γ-PGA，我們或許能主動“粉碎”生物膜，使其對抗生素更加敏感。這一來自細菌的啟示，也為理解腫瘤等復雜生物系統中水凝膠介導的細胞驅逐過程架起了橋梁。
圖6 | γ-PGA過表達迫使生物膜破裂。
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