“簡單”細菌生物膜“畫”出復雜同心圓

一項近日發表于《細胞》的研究發現，細菌生物膜包含了被人們認為是植物和動物所獨有的結構組織。

長期以來，人們認為生物膜——像細菌和真菌等微生物形成的黏糊塊狀物——在生物學上很簡單，只有一種原始的結構組織。這與包括動物在內的許多多細胞生物形成了鮮明的對比——在這些生物中，細胞可以在發育的不同時間和地點以不同的形式生長，從而產生復雜多樣的生物結構。現在，美國加利福尼亞大學圣迭戈分校的Gürol Süel和同事發現，細菌生物膜并不像人們想象的那么簡單。

研究人員發現，生物膜在生長和消耗環境中的營養物質時形成環狀結構。隨著營養供應的減少，就功能而言，某些細胞基本上“凍結”了。這被稱為“時鐘波峰模型”，以前只在動物和植物中看到過。

Süel和同事在一項實驗中發現了這一現象，該實驗旨在探索枯草桿菌生物膜在缺乏重要的氮元素時的反應——這通常會導致細菌細胞發生變化，使其在孢子形成的適應過程中變得更有彈性。

但并非生物膜中的所有細胞都以同樣的方式適應環境。研究人員證明，生物膜產生的減壓基因只能使部分細胞適應環境，在大致呈圓形的生物被膜中形成同心圓環。這種類似樹木年輪的結構符合“時鐘波峰模型”。

“如果僅認為生物膜是一團細菌細胞那就錯了。”Süel說，“它們的組織性很強，組織方式也非常有意義。這種組織結構讓人聯想到脊椎動物和植物在發展過程中的一些變化，所以它們之間一定有某種聯系。”

Süel提出，這種方式可能是細菌使生物膜彈性細胞多樣化以增加存活機會的結果。

近年來，生物膜已被證明比人們想象的更加復雜，能夠進行遠距離通信等，但復雜結構的發現可能對簡單的單細胞生物和復雜的多細胞生物的劃分提出挑戰。了解這些細菌的生物膜真正的底層結構，可能會改變對它們的利用方式。