細(xì)菌在群落內(nèi)如何分工合作

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白蟻蟻后安坐于滿是塵埃的寶座上，身軀因卵囊充盈而臃腫，許多無生育能力的白蟻臣服于她。蟻群中每個成員都專精于各自的職責(zé)：工蟻覓食和筑巢，兵蟻捍衛(wèi)領(lǐng)地免受入侵。社會性昆蟲群落的分工機制有助于蟻后的基因高效傳遞下去。同時，在它們周圍的土壤中，正上演著一種相似的情景，而主角則是一種全然不同的生命形態(tài)。

細(xì)菌的進(jìn)化與高級真核生物（如鳥類或是蜜蜂）存在許多相似之處，丹麥技術(shù)大學(xué)的微生物學(xué)家阿克斯 ? 科瓦奇（ákos Kovács）指出，研究單細(xì)胞生物可能有助于科學(xué)家更好地理解多細(xì)胞生命。

科瓦奇團隊致力于研究“社會微生物學(xué)”，這一新興領(lǐng)域關(guān)注微生物豐富的社會生活。相對于實驗室中通常自由生存的浮游細(xì)菌，多數(shù)自然界中的真核生物處在復(fù)雜的社會關(guān)系中，并涉及多個種群間的交互作用。聚集的微生物會形成生物膜，這種生物形式無處不在，遍布巖石、浴缸和醫(yī)療器械。實際上，閱讀本文的讀者也正支持著這些微生物社群。牙齒在刷洗前覆蓋著的黏稠物質(zhì)即為生物膜，皮膚和腸道中共同生長的有益微生物同樣如此。

細(xì)菌群落通過糖、蛋白質(zhì)和DNA形成的黏稠物質(zhì)覆蓋自己，形成生物膜。這些細(xì)胞外基質(zhì)使細(xì)胞黏附于表面，并形成黏稠的保護(hù)膜，抵御捕食者和抗生素。傳統(tǒng)藥物一旦陷入這種基質(zhì)，就會被分子網(wǎng)所困，無法深入穿透生物膜的內(nèi)部。當(dāng)氧氣耗竭后，其內(nèi)部的細(xì)胞還會進(jìn)入一種休眠狀態(tài)，從而能夠抵抗針對代謝過程的抗生素。實際上，生物膜狀態(tài)下的細(xì)菌，相對于浮游狀態(tài)，能夠承受高達(dá)1 000倍濃度的抗生素。

細(xì)菌在生物膜中承擔(dān)不同的責(zé)任。一些個體專注于繁殖，以擴張群落；另一些專注于建設(shè)，分泌多糖和蛋白以充實細(xì)胞外基質(zhì)；還有一些則保衛(wèi)社群，制造分子武器，用毒素攻擊競爭對手。

細(xì)菌們也絕不安常守故。當(dāng)生物膜成熟后，社群便需要一些變化，這時細(xì)菌會承擔(dān)新的分工責(zé)任。科瓦奇團隊發(fā)現(xiàn)，土壤中的細(xì)菌枯草芽孢桿菌群落在早期發(fā)展時，大多微生物會負(fù)責(zé)產(chǎn)生基質(zhì)，這時它們更像是一群不相連的細(xì)胞。但隨著群落建設(shè)進(jìn)展，一些細(xì)胞會轉(zhuǎn)而負(fù)責(zé)產(chǎn)生孢子或有用的酶。

微生物大都會

那么細(xì)菌如何分擔(dān)它們的家務(wù)事呢？科瓦奇表示，這一過程部分是隨機的。通過增強細(xì)胞反應(yīng)的隨機波動，細(xì)胞個體會產(chǎn)生特定的角色。舉例來說，枯草芽孢桿菌形成的生物膜中負(fù)責(zé)產(chǎn)生蛋白酶的細(xì)胞是隨機決定的。

魏茨曼科學(xué)研究所的微生物系統(tǒng)研究者丹尼爾 ? 達(dá)爾（Daniel Dar）指出，細(xì)菌在生物膜中所處的位置也會決定其任務(wù)分配，好比一個大都市的不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)空氣污染水平不同，有機超市的數(shù)量也不盡相同，生物膜的不同部位的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)水平也會有很大的差異。細(xì)菌通過感知這些微環(huán)境的變化，上調(diào)或下調(diào)特定基因的表達(dá)來影響不同的細(xì)胞進(jìn)程。

達(dá)爾是加州理工學(xué)院戴安娜 ? 紐曼（D i a n n e Newman）實驗室的博士后研究人員，他開發(fā)了一種方法，實現(xiàn)了以亞微米級的分辨率追蹤整個生物膜內(nèi)的基因活動。同時利用并行連續(xù)熒光原位雜交（par-seqFISH）手段對綠膿假單胞菌進(jìn)行研究，這種細(xì)菌通常出現(xiàn)在囊性纖維化患者的肺臟中。

這幅介觀圖像展現(xiàn)了表達(dá)不同熒光蛋白的兩株大腸桿菌。隨著種群內(nèi)細(xì)菌數(shù)量增加，它們會與周圍的群落產(chǎn)生沖突，在生物膜上形成大理石般的花紋

標(biāo)準(zhǔn)的FISH技術(shù)只能檢測每個基因的單個熒光團，而連續(xù)FISH技術(shù)靶向轉(zhuǎn)錄本不同區(qū)域的多個探針，通過色彩序列對解析其特征。達(dá)爾運用這項技術(shù)在一次實驗中對細(xì)菌生長的許多階段進(jìn)行了檢測——從浮游狀態(tài)的細(xì)菌到成熟的生物膜。

生物膜的生命周期

當(dāng)浮游的細(xì)菌可逆地結(jié)合在一個表面上后，細(xì)菌群落便開始形成。隨著細(xì)胞密度增加，許多種群開始啟動生物膜形成的生物進(jìn)程，其中包括合成細(xì)胞外基質(zhì)。基質(zhì)將細(xì)菌群落黏附在表面上，并抵御捕食者和抗生素的侵害。當(dāng)生物膜成熟后，細(xì)胞便會在生物膜中承擔(dān)不同的任務(wù)。以一個亞群細(xì)胞為例，它們可能會長出鞭毛，游離群落并定植在新的表面。

研究者通過分析超過100個基因的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)了一種分區(qū)調(diào)控的規(guī)律模式，類似于按數(shù)字上色的涂色書。不同細(xì)菌群落在生物膜不同位置時，會改變其代謝狀態(tài)，并表現(xiàn)出不同的基因活動特征。舉例來說，成熟生物膜底部的微生物會啟動編碼消化酶的一系列基因，而周邊的細(xì)菌則優(yōu)先轉(zhuǎn)錄參與防御的基因。

一種防御機制是綠膿假單胞菌會在開始聚集時增加產(chǎn)生綠膿菌素，這種毒素能夠影響其他細(xì)菌種群。生物膜形成后，細(xì)胞群落會合成綠膿菌素，并以自毀的形式釋放毒素。細(xì)菌在爆裂后將毒素和DNA噴灑到環(huán)境中。這一看似自毀的行為實則增加了生物膜存活的概率：毒素殺滅競爭對手，而DNA則與基質(zhì)中的分子相結(jié)合，增強結(jié)構(gòu)并促進(jìn)生物膜生長。

這種研究為治療生物膜感染提供了新思路，但研究者仍需考慮環(huán)境因素。“我們很難在不了解環(huán)境的情況下理解細(xì)菌的行為。”紐曼表示，她組建了一個化學(xué)家團隊，嘗試將代謝水平可視化。她希望通過標(biāo)記氧分子來揭示氧化外周和缺氧內(nèi)核間的梯度。研究者能夠以此結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)等方法，了解生物膜內(nèi)部的環(huán)境如何影響細(xì)菌的行為。

遺傳變異

勞動分工并非僅僅源于基因表達(dá)上的差異，也會因不可逆的基因變化而起。天藍(lán)色鏈霉菌是一種土壤鏈霉菌，它能夠形成真菌樣的結(jié)構(gòu)，刪除其部分染色體能夠使其細(xì)胞亞種出現(xiàn)合成特定抗生素的能力。人類用于治療感染的超過半數(shù)抗生素都由天藍(lán)色鏈霉菌生產(chǎn)。

盡管細(xì)菌群落是從克隆開始的，但不穩(wěn)定的DNA區(qū)域能夠快速產(chǎn)生變異。2023年發(fā)表于《分子系統(tǒng)生物學(xué)》（Molecular Systems Biology）的一篇文章中，科學(xué)家報告天藍(lán)色鏈霉菌的基因組主要分為兩個部分。染色體穩(wěn)定端的基因負(fù)責(zé)合成抗生素，而促生長的基因位于更加脆弱的部分。而這一脆弱的部分在發(fā)生變異后，與生長和復(fù)制相關(guān)的序列被刪除，形成專注于分泌抗生素的特定菌株。

殺滅核心

研究者利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法，鑒定生物膜形成所需的關(guān)鍵蛋白質(zhì)，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)將抗生素輸送入難以穿透的生物膜核心區(qū)域的方法。達(dá)爾利用par-seqFISH分析發(fā)現(xiàn)在綠膿假單胞菌開始聚集時，吩嗪類代謝物的表達(dá)增加。這一發(fā)現(xiàn)支持戴安娜 ? 紐曼研究組之前的研究結(jié)果，吩嗪類代謝物綠膿青素會促進(jìn)細(xì)胞間的交互。利用PodA酶降解綠膿青素能夠讓生物膜更加脆弱，對抗生素更加敏感，但PodA穩(wěn)定性差，且在自然情況下合成極其微量。

紐曼和薩雷爾 ? 弗萊施曼（Sarel Fleishman ）組成研究團隊，以研究如何改造PodA的結(jié)構(gòu)。魏茨曼科學(xué)研究所的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家利用計算機方法預(yù)測增加蛋白穩(wěn)定性的突變。當(dāng)紐曼團隊將這種改良的酶作用于綠膿假單胞菌，相對于單用抗生素而言能夠更有效地破壞生物膜。

Mesolens顯微鏡下的大腸桿菌生物膜，展現(xiàn)了菌落內(nèi)彌散的通道樣結(jié)構(gòu)

光學(xué)顯微鏡的技術(shù)進(jìn)步為破壞生物膜核心的方法提供了新線索。英國思克萊德大學(xué)的物理學(xué)家蓋爾 ? 麥康納爾（Gail McConnell）開發(fā)了新工具，用于高分辨率和高倍率的單次胚胎成像。當(dāng)利亞姆 ? 魯尼（Liam Rooney）加入麥康奈爾實驗室后，首次在微生物學(xué)研究中嘗試該技術(shù)以一瞥微生物都市的內(nèi)在運作方式。

在魯尼開始這一項目前，他從未見過生物膜內(nèi)部的高分辨率圖像，他表示：“我們原先假設(shè)其中只是同源細(xì)胞組成的球體緊密結(jié)合在一起，而沒有真正的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。”

研究團隊通過新工具M(jìn)esolens對大腸桿菌形成的生物膜進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在群落內(nèi)部有微小的通道樣結(jié)構(gòu)形成的網(wǎng)絡(luò)。這種通道幫助生物膜向其“饑餓的”核心部位運輸營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和其他資源，如同我們的血管通過血液將分子運送給全身。魯尼表示，研究者希望利用這種通道將抗體輸送到生物膜的核心中去。

而這種特定化有其代價。正如同工蟻不具備生殖能力，生產(chǎn)抗生素的菌株同樣沒有繁殖能力，而整個群落又得益于它們的勞作。有些情況下，突變細(xì)菌釋放孢子的能力會降低到原來的萬分之一。

另一些研究發(fā)現(xiàn)基因多樣性可能具有更加隱伏的因素。2022年發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell）雜志的一篇論文中，研究者描述了微生物使用毒素射殺同胞，從而驅(qū)動有利基因的出現(xiàn)。

革蘭氏陰性細(xì)菌為了抵御競爭者，會組裝分子機槍VI型分泌系統(tǒng)（T6SS）。這種武器形似標(biāo)槍，裝載毒素后射向?qū)κ郑┩笇κ值募?xì)胞外結(jié)構(gòu)。為了避免傷害自身，細(xì)菌會合成免疫蛋白以中和毒素。

科學(xué)家在數(shù)十年前就知道細(xì)菌利用T6SS消滅那些不友善的鄰居或是侵入領(lǐng)地陌生者，但沒有人能夠想到這種武器被用在殺滅同胞，普林斯頓大學(xué)的分子生物學(xué)家邦尼 ? 巴斯勒（Bonnie Bassler）評價道，她是細(xì)菌通信研究的早期開拓者。

這一研究揭示了所謂的分區(qū)過程，盡管生物膜上的細(xì)菌來自同一克隆，卻會被不同基因變異型的細(xì)菌分隔為數(shù)個區(qū)域。巴斯勒團隊通過研究霍亂弧菌的生物膜，發(fā)現(xiàn)菌落分為不同的變異型后，生物膜內(nèi)的細(xì)胞會開始用毒素互相攻擊。巴斯勒說：“它們彼此瘋狂地互相攻擊。”

細(xì)菌為了節(jié)約能量，只會在周圍有其他微生物的情況下組裝它們的分子武器。這一過程被群體感應(yīng)的細(xì)胞通信機制所控制。每個細(xì)菌都會滲漏出化學(xué)信號，隨著細(xì)菌群落擴大，這種化學(xué)信號的濃度會增加。一旦超過一定閾值，細(xì)菌就會同時激活群體感應(yīng)基因，激發(fā)如生物膜形成等群體行為。

這種微生物屠殺會驅(qū)動群體感應(yīng)變異基因的突變，抵御進(jìn)一步的殺滅，譬如產(chǎn)生能夠合成更多多糖作為防護(hù)裝甲的變異型。巴斯勒團隊在霍亂弧菌中發(fā)現(xiàn)的一些變異型也出現(xiàn)在臨床樣本中，這提示殺傷同胞的過程也與疾病相關(guān)。巴斯勒解釋道：殺死同胞可能會加速進(jìn)化過程。細(xì)菌通過各種方法產(chǎn)生變異，但只有能夠抵御T6SS殺傷的變異型能夠存活下來并進(jìn)一步復(fù)制繁殖，從而使菌落能夠繁榮發(fā)展。

罷工行動

在深入理解生物膜系統(tǒng)如何調(diào)控勞動分工后，研究者就有機會干預(yù)這種過程來引發(fā)“社會崩潰”。初步研究發(fā)現(xiàn)電流能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

加州大學(xué)圣迭戈分校的生物物理學(xué)家居羅爾 ? 蘇爾（Gürol Süel）說：電流能夠殺死細(xì)菌，但較低的電流也會刺激特定種類的細(xì)胞生長。過去十年間，蘇爾團隊發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌如何通過電脈沖進(jìn)行溝通，這種電脈沖如同一種巨大的動作電位，能夠傳遍整個生物膜。電信號讓生物膜內(nèi)的細(xì)胞調(diào)節(jié)生長、共享營養(yǎng)物質(zhì)并招募外來細(xì)胞加入群落。

在新的研究中，蘇爾團隊聚焦兩種主要類型的生物膜細(xì)胞：一是能動細(xì)胞，能夠四處游動并定植到新的表面；二是基質(zhì)分泌細(xì)胞，它們大量分泌黏稠的聚合物，將其他群落黏合在一起。

研究團隊開發(fā)了一種設(shè)備，通過電流刺激生長中的枯草芽孢桿菌生物膜。對遺傳學(xué)上相同且處在同一微環(huán)境中的生物膜，較弱的電擊能夠促進(jìn)能動細(xì)胞的生長，而非基質(zhì)分泌細(xì)胞。電刺激改變了群落中不同細(xì)胞類型間的比例，讓游動的細(xì)胞成為主導(dǎo)。

這一現(xiàn)象會導(dǎo)致生物膜瓦解，研究者推測這是因為黏合菌落的基質(zhì)產(chǎn)量減少。同時，由于基質(zhì)也會阻礙抗生素進(jìn)入生物膜的核心，電流能夠增加生物膜對治療的敏感性。蘇爾團隊的目標(biāo)是通過改變生物膜內(nèi)細(xì)胞的勞動分工以分解細(xì)菌群落。

科瓦奇認(rèn)為，另一種可行策略是從微生物群落的生長過程下手，比如共享物質(zhì)、消化酶、基質(zhì)多聚物和分泌系統(tǒng)。當(dāng)傳統(tǒng)的抗生素作用于生物膜時，耐藥細(xì)胞很快占據(jù)上風(fēng)并主導(dǎo)整個群落。但當(dāng)細(xì)菌暴露于能夠分解生物膜的藥物時，群落中生產(chǎn)“公共財產(chǎn)”的過程會受到抑制，耐藥細(xì)菌相對非耐藥的部分便占據(jù)下風(fēng)。新資源被周圍的細(xì)胞共享并消耗，這對它們而言無須消耗能量便能獲益。這時非耐藥細(xì)胞便會占據(jù)上風(fēng)，持續(xù)生長至耗盡公共財產(chǎn)，導(dǎo)致生物膜瓦解。

枯草芽孢桿菌形成的復(fù)雜生物膜結(jié)構(gòu)

比利時魯汶大學(xué)的微生物學(xué)家漢斯 ? 斯蒂納克斯（Hans Steenackers）與同事培養(yǎng)了一種無法合成基質(zhì)多聚物的沙門氏菌。這種變異細(xì)菌與野生型不同，它們更加不傾向于形成生物膜，且對抗生素更加敏感。在40天的實驗中，沒有細(xì)胞進(jìn)化出耐藥性，而通常情況下對標(biāo)準(zhǔn)抗生素產(chǎn)生耐藥性僅需數(shù)天。當(dāng)研究團隊追蹤耐藥菌株，并將它們加入培養(yǎng)皿后，這些非耐藥細(xì)胞快速占據(jù)了菌落的主導(dǎo)地位。

干擾菌落中的公共行為有微生物學(xué)之外的意義，斯蒂納克斯在一篇相關(guān)綜述中寫道，這種策略能夠被用于癌癥治療，癌細(xì)胞同樣生長于基質(zhì)樣的微環(huán)境中；或是用于驅(qū)散昆蟲群，斯蒂納克斯認(rèn)為，昆蟲通過信息素進(jìn)行溝通，這種方式與細(xì)菌通過群體感應(yīng)進(jìn)行交流相似，相較傳統(tǒng)殺蟲劑，擾亂昆蟲間的協(xié)作是一種更加可持續(xù)的方法。

科瓦奇評價道，研究細(xì)菌協(xié)作不僅僅是靶向致病性生物膜的關(guān)鍵，同時也有助于闡明多細(xì)胞生命的奧秘。