科学家发现，铜绿假单胞菌利用类似于无线电信号的化学信号进行交流，以帮助细胞连接在一起，形成群落。作者:Janice Haney Carr/CDC
加州大学洛杉矶分校领导的这项研究可能对医学和可持续发展研究产生影响。
细菌联合起来形成一个有社会组织的社区，能够进行合作、竞争和复杂的交流，这一想法乍一看像是科幻小说里的东西——或者简直太恶心了。
但是生物膜群落对人类健康有着重要的影响，从致病到帮助消化。它们在一系列旨在保护环境和生产清洁能源的新兴技术中发挥着作用。
加州大学洛杉矶分校领导的一项新研究可能会给科学家带来新的见解，帮助他们培养有用的微生物或清除生物膜形成表面的危险微生物，包括人体组织和器官。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，描述了当生物膜形成时，细菌是如何利用类似于无线电传输的化学信号与后代进行交流的。
研究人员发现，一种名为环双胍酸酯(c-di-GMP)的信使分子的浓度水平，可以随着时间的推移，在几代细菌中以明确的模式增加或减少。研究发现，细菌细胞利用这些化学信号波为后代编码信息，帮助协调菌落的形成。
在这种现象中，一个特定的细胞是否附着在一个表面上，受这些振荡的特定形状的影响——很像信息存储在AM和FM无线电波中的方式。
“因为这些振荡协调了整个谱系的行为，大量的细胞同时受到这些信号的控制。”通讯作者Gerard Wong说，他是加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院生物工程和加州大学洛杉矶分校化学与生物化学学院的教授，也是加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所的成员。“这意味着我们可能有一个新的旋钮来控制或微调生物膜的形成，就像细菌的大规模通信一样。”
在某些情况下，阻止生物膜的形成可能会挽救生命，比如抗击囊性纤维化患者肺内壁的感染。
在其他情况下，增强培养生物膜的能力将是有益的——例如，增强人类肠道中“好”细菌的菌落，以帮助消化，或者保护人们免受致病微生物的伤害。科学家和工程师，包括加州大学洛杉矶分校的一些人，正在致力于开发细菌生物膜，这种生物膜可以分解塑料，吃掉工业废物，甚至在燃料电池中发电。
这项研究为生物膜形成机制的科学理解增加了新的层面。在过去20年左右建立起来的当前范式认为，当一个细菌感知到一个表面时，该细胞开始产生c-di-GMP，这反过来导致细菌附着在表面上。事实上，生物膜细胞通常比四处移动的细菌细胞含有更高水平的c-di-GMP。
专注于细菌代代交流能力的生物膜研究是由第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后研究员卡尔文·李(Calvin Lee)以及Wong和他们的队友在2018年的一份出版物中开创的。在目前的研究中，研究小组阐明了细菌是如何利用c-di-GMP信号来传递一个表面的存在的:不同高度和不同频率的信号波可以由一个细胞传递给它的后代。
分别这些化学信号类似于调频广播——振幅调制、编码给定信号基于振幅,或高度,无线电波和调频收音机的频率调制编码信号的振荡波在一个给定的一段时间。
通过大数据和人工智能的分析技术，研究人员确定了控制生物膜形成的三个重要因素:c-di-GMP的平均水平，c-di-GMP水平的振荡频率，以及生物膜形成表面的细胞移动程度。
“现有的模式是，一个输入产生一个输出，随着信号水平的增加，导致生物膜的形成，”Lee说。“我们认为，多种输入最终会导致相同的输出，细菌可以为它们的后代留下持久的信息。你需要看更多的东西，才能得到全貌。”
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