生物膜和生物膜形成菌的研究解析

寇 靜 文雨潔 劉瑞鴿 馮 江 彭書鋒

（陜西中醫藥大學 陜西咸陽 712046）

細菌生物膜是在一定環境下產生的，菌體通過附著在物體表面，釋放一系列物質，形成了系統性的菌體群落。在我國生物領域、醫學領域對細菌生物膜不斷了解和分析之下，發現人體很多常見的頑固性疾病，與細菌生物膜有著直接關系，甚至成為了頑固性疾病無法根治的主要原因。之所以細菌生物膜是頑固性疾病的主因，是因為以細菌生物膜形式存在的細菌，對于抗生素、殺菌劑、惡劣環境破壞有著很強的防御機制，其抗查殺能力非常強。因為細菌生物膜內是一個系統性菌體群落，細菌生物膜內細菌在生理代謝時，對底物的降解存在抵抗能力。所以細菌生物膜在生物領域受到了極大重視，借助對細菌生物膜的研究，可以對醫學領域治療頑固性疾病帶來福祉。此外，細菌生物膜也很容易在工業生產當中存在，所以深入分析細菌生物膜，也可以促進工業、環保等領域的發展進步，本文將針對生物膜以及生物膜形成菌進行詳細分析。

一、細菌生物膜內涵概述

細菌生物膜形成的位置主要是在物體表面，構成的要素主要是菌體在物體表面黏連附著，并且在物體表面分泌黏性胞外聚合物，并且在物體表面進行生長，構建成一個系統性的細菌群落。細菌生物膜在生活當中隨處可見，不僅可以在人體、動物體外構成，而且還可以在某些自然環境以及工業生產環境產生。結合細菌生物膜實際特質來看，一般的細菌生物膜都是附著在有活性、無活性物體表面當中，以生物膜的形式進行生長[1]。隨著我國科學技術不斷發展，借助激光共聚焦掃描顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等設備，便可以觀察到細菌生物膜的內部形態和結構。通過我國生物領域、醫學領域對細菌生物膜的研究，發現細菌生物膜是一個系統性的菌體群落，具備連續的層狀結構，而不是當做一個個體看待。細菌生物膜結構具備一定的復雜性，并且存在三維結構信息傳遞系統，是一個復雜性、系通過性菌落社會群體。

二、細菌生物膜生長形成階段

生物膜形成，可以由純菌直接構成，也可以由多種菌種構成。針對多種菌種構成的生物膜來說，因為菌種類型存在差別，所以不同菌種構成生物膜的時間、空間、生長順序也存在差異，所以多菌種構成的生物膜，存在菌種交替演變的情況。通過生物學研究發現，對生物膜形成過程進行觀察，了解到生物膜形成是一個多細胞結構的動態發展過程，在不同階段下，生物膜發展存在差異。針對多菌種生物膜形成過程來看，主要存在以下幾個過程，分別是“細菌起始粘附期、生物膜生長期、生物膜成熟期、生物膜散播期”等幾個階段，不同生長階段下，生物膜細菌的生理特征存在差異。

（一）細菌起始粘附期

細菌起始粘附期是生物膜形成的第一階段，也是最為基礎的階段。菌體通過黏連、粘附的形式，依附在生物體表面，在粘附的過程中，菌體一般都是通過浮游細菌形式存在的，當粘附成功之后，啟動物體表面生物膜生成。單個附著的細胞僅由少量胞外聚合物包裹，但是實際上這些附著的細菌還并未進入到生物膜的形成過程當中。多種以浮游狀態生存和運動的菌體可以進入到生物膜生成過程中，也可以脫離物體表面粘附的狀態，此時因為菌體還并未進入到生物膜生成階段，所以浮游形式存在的菌體具備自由性、可逆性。

（二）生物膜生長期

生物膜生長期是菌體在物體表面粘附之后，通過調整其基因表達的方式，進行生長繁殖。在生物膜生長時期，菌體會在生長繁殖的過程中，分泌大量胞外聚合物，借助此種形式來加強對物體表面的粘附。在生物膜生長時期，菌體對于物體粘附力度極強，粘附力度是牢不可破、不可逆的，進入生物膜生長階段的菌體，則無法再回到浮游菌體狀態[2]。生物膜生成階段，胞外聚合物可粘結單個細菌并且形成細菌結塊，構建成微菌落。在此基礎上，大量細菌不斷堆積，促使生物膜加厚。

（三）生物膜成熟期

生物膜成長期，細菌生物膜形態逐漸生成，在菌體之間交互、合并、重組之后，細菌生物膜以不可逆的階段進入成熟期。成熟期之后生物膜構建成了具有高度的組織結構，生物學家借助激光聚焦顯微鏡，觀察到成熟生物膜的結構均具有不均勻性，其形狀類似蘑菇狀或者堆積狀。在細菌生物膜成熟階段，細菌生物膜當中存在微小的菌落，這些菌落之間圍繞著輸水通道，借助這些輸水通道來相互運送養料、酶、代謝產物，并且借助這些輸送通道來排泄廢物。借助對成熟期細菌生物膜的內部觀察，可以發現成熟期的細菌生物膜內部結構宛若原始狀態的循環系統。

（四）生物膜散播期

生物膜散播期是細菌生物膜形成發展的最后階段，所謂的生物膜散播期，便是在這個階段，細菌可以從生物膜或者物體表面載體當中釋放輸出[3]。已經生長成熟的細菌生物膜，借助蔓延、部分脫落等形式，釋放出細菌，以浮游菌體的形式進行擴散。菌體在細菌生物膜擴散之下，從細菌生物膜當中釋放出來，以浮游菌體的形式存在并且進行更大范圍的擴散，通過粘附、生長、成熟，成為新的細菌生物膜。生物研究人員通過雙向凝膠蛋白電泳圖譜對擴散出來的浮游菌體、成熟細菌生物膜當中的細菌進行比較，發現離散細菌更加像浮游細胞，這也印證了細菌生物膜發展是一個不斷擴散、不斷循環的過程中，生物膜具備散播性。

三、細菌細胞在細菌生物膜形成當中的作用

在我國生物學領域、醫學領域對細菌生物膜深入研究下，對細菌生物膜的形成機制、了解認識取得了進一步的進展[4]。當前我國生物學、醫學領域已經明確細菌生物膜形成，除了與生物膜必備養料、水動力有關之外，還與細菌生物膜形成的菌體有關。我國醫學生物領域，詳細對細菌生物膜形成的細菌進行了等條件致病菌研究，并從基因水平層次上，對細菌的鞭毛、纖毛、胞外聚合物、群體感應信號分析等相關細菌細胞因子進行詳細分析，構建出了細菌細胞與細菌生物膜形成相關的研究內容。

（一）鞭毛、纖毛

通過分析和研究，發現細菌細胞鞭，在固體環境下的運用能力以及所具備的粘附能力，與細菌生物膜最初形成狀態有關[5]。在對細菌細胞研究之前，了解鞭毛參與了生物膜形成的過程，但是對于鞭毛在一些細菌細胞當中存在的功能并不完全明確。近年來，我國醫學領域意識到了細菌生物膜對于頑固性疾病的影響，通過對癱瘓病人的研究，發現造成運動能力喪失的細菌運動過程中，存在細菌基因突變菌株，并且針對該細菌細胞鞭毛與細菌生物膜生成關系進行進一步分析研究，揭示了鞭毛在細菌生物膜生成當中所起到的作用。例如，通過對周生鞭毛運動進行分析研究，對編碼鞭毛蛋白基因進行插入突變、對細菌細胞鞭毛進行調控基因插入突變，有效抑制了鞭毛的形成，從而造成細菌細胞鞭毛喪失了運動能力。在此種情況之下，野生型菌株相比鞭毛缺失、鞭毛癱瘓情況下的細菌來說，更加迅速的生成細菌生物膜，而鞭毛破壞、鞭毛缺失的細菌細胞，則無法生成細菌生物膜[6]。所以，細菌細胞鞭毛，在細菌生物膜形成過程當中起到了重要的作用，若細菌細胞鞭毛遭受到破壞，那么直接導致細菌生物膜無法生成。

（二）胞外聚合物

菌體想要生長成細菌生物膜，最不可或缺的物質便是胞外聚合物，細菌生物膜當中，胞外聚合物的數量比例較多。針對胞外聚合物來說，將其進行拆解分析，是由多糖、蛋白質、核酸等諸多物質構成的，胞外聚合物作為生物膜的主要部分，對細菌生物膜有著直接影響[7]。在細菌生物膜形成生長的過程中，細菌細胞在與外界物體進行粘附之后，胞外聚合物直接參與了細菌細胞與物體粘附的過程中，細菌細胞是借助胞外聚合物來構建成細菌細胞不可逆狀態，胞外聚合物的生產量與細菌生物膜結構有著直接關系。著名生物學家Davies等人發現P.aeruginosa的黏液狀菌株與非黏液狀菌株相比，可構建成更加多樣化、復雜化的細菌生物膜。O-乙酰化藻鹽酸是P.aeruginosa的黏液胞外多糖的主要成分，是形成生物膜結構不可或缺的重要物質。P.aeruginosa野生型非黏液菌株在正常情況下可以生成平坦狀態的細菌生物膜，但是藻鹽酸過度表達生成的細菌生物膜則是蘑菇狀，其中充滿了獨立分隔的水道，造成不同菌落之間物質傳輸的孤島，對細菌生物膜成熟、擴散帶來了一定程度上的阻礙[8]。生物學研究者Paul等人通過研究發現，胞外聚合物瓦解會降低細菌生物膜形成的復雜性，提升細菌生物膜對抗生素等細菌查殺藥品的敏感性，對細菌生物膜的穩定性帶來一定程度的影響。

（三）群體感應信號分子

細菌生物膜在成熟之后，內部具備系統化、復雜性，并且存在三維結構信息傳遞系統，是一個復雜性、系通過性菌落社會群體。在細菌生物膜構建的過程中，從浮游狀態菌體，到組織化清晰的動態化菌落，細菌群體感應機制在細菌生物膜當中起到了非常重要的作用[9]。針對醫學領域來說，一些頑固性疾病之所以存在，主要的原因是細菌生物膜當中存在群體感性系統，可以降低抗生素等藥物對細菌的查殺效率，所以細菌生物膜難以破壞。群體感應系統是細菌結合細胞密度變化進行的基因表達調控行為，具備群體感應的細菌生物膜，能夠釋放出自體誘導物信號分子，這種信號分子會隨著細胞密度的增加而增加，若信號分析累積到一定閾值，那么便可以調控蛋白結合，從而啟動細菌中特定的基因表達。客觀來說，群體感應系統的機能，是隨著細菌生物膜當中細菌細胞密度的增加而增加的。在群體感應機能的引領下，細菌細胞可以與周圍環境進行信息交流，從而改變細菌細胞的活躍程度、生理活動性，并且調換細菌細胞的生存模式。通過對體外細菌生物膜進行研究發現，細菌生物膜當中群體感應系統健全的細菌細胞，可以形成典型、高效的對抗殺菌劑能力，在細菌細胞外形成抵抗殺菌劑的生物膜[10]。但是群體感應系統不健全、出現破壞現象的細菌生物膜，則無法感應殺菌劑，無法在細菌細胞外形成抗細菌查殺的生物膜，很容易被沖洗掉、對殺菌劑敏感，造成細菌生物膜破壞。但是如果在群體感應系統破壞的細菌生物膜當中添加AHL分子，那么細菌會快速的重新恢復到成熟的細菌生物膜狀態。

四、結束語

總而言之，生物膜與細菌生物膜研究的意義重大，不僅可以為生物學領域做出貢獻，而且還可以為醫學領域做出貢獻。在我國科學事業不斷發展的當下，必須要重視起對生物膜與細菌生物膜的研究，為頑固性疾病的突破、社會環保事業的發展打下良好的基礎保障，充分展現出科學的力量，促進我國社會各個領域不斷發展。