Cell：挑戰常規！細菌利用遠程電信號招募其他的細菌物種

圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2016.12.014

美國加州大學聖地亞哥分校研究人員近期發現細菌解決它們的群落內的社會衝突，而且彼此間類似於大腦中的神經元那樣進行通信。如今，在一項新的研究中，他們在這些明顯不那麼簡單的單細胞生物中發現另一種類似人類的特徵。

生活在各種各樣的被稱作「生物膜（biofilm）」的群落中的細菌給其他的細菌物種發送遠程電信號，從而招募新的成員到它們的生物膜群落中。相關研究結果已發表在Cell期刊中，論文標題為「Species-Independent Attraction to Biofilms through Electrical Signaling」。

論文通信作者、加州大學聖地亞哥分校分子生物學教授Gürol Süel說，「我們發現細菌生物膜群落能夠通過電信號積極地調節不同細菌物種的運動行為。通過這種方式，生物膜中的細菌能夠對不是它們的群落一部分的距離較遠的細胞的行為實施遠程的和動態的控制。」

生物膜是在牙石等物體表面上形成較薄結構的細菌和其他微生物群落，高度抵抗化學物和抗生素。針對它們是如何形成的，它們如何招募其他的微生物和抵抗攻擊，人們知道的並不太多，然而這些關於它們的行為的信息具有實際的應用價值，比如阻止牙齒上的牙石形成從而避免在醫院內感染上葡萄球菌。

但是細菌在它們的保護性生物膜村莊中安置下來，像專業的營銷機構那樣作出表現：通過向外發送電子信息給它們的群落打廣告。這一發現推翻科學家和一般公眾對這些所謂的低等生物的基本看法。

論文第一作者、Süel實驗室博士生Jacqueline Humphries說，「我們的研究證實生活在生物膜群落中的細菌做的事情類似於給朋友發送電子信息。事實上，我們發現的這種機制是普遍存在的。我們發現來自一種物種的細菌能夠發送遠程電信號，從而會招募來自另一種物種的新成員。因此，我們鑒定出物種間信號傳遞的一種新機制和範例。」

研究人員在他們的研究中，將實驗室實驗與數學建模整合在一起，發現由枯草芽孢桿菌單個物種組成的生物膜能夠通過電信號招募另一種不同的細菌物種：銅綠假單胞菌。

利用微流體生長腔室，研究人員記錄了枯草芽孢桿菌群落產生的鉀離子電信號將這種腔室中距離較遠的細胞吸引到電振動生物膜的邊緣。

2015年夏天，Süel和他的團隊發現生物膜群落內的振動解決了進行合作的單個細胞之間的社會衝突，畢竟這些細胞也不得不競爭食物。

位於生物膜外邊緣的細菌離生長所必需的營養物最近，這可能導致受到遮蔽的內部細菌細胞挨餓。但是研究人員已發現生物膜振動產生一種他們稱之為「代謝協同依賴性（metabolic codependence）」的方法：周期性地抑制外圍的細菌細胞生長，從而讓內部的細菌細胞獲得營養物。

此後不久，Süel和他的團隊發現生活在生物膜群落中的細菌彼此間在電學上通過被稱作「離子通道」的蛋白進行通信。這種通信方法類似於人大腦中的神經元採用的電信號傳遞方法。

Süel團隊最新的發現---生物膜中的細菌能夠利用遠程電信號招募其他的細菌物種---可能不僅是他們發現中最令人吃驚的部分，而且可能對於我們理解細菌如何影響人類健康起著最為重大的作用。

Süel說，「我們最新的發現提示著我們的腸道微生物組等細菌群落中的混合物種組分可能通過電信號傳遞加以調節。細菌細胞和人腸道細胞甚至可能在人腸道內進行電學上的相互作用。我們的研究可能在未來導致人們開發出新的基於電學的生物醫學方法來控制細菌行為和群落。」

Species-Independent Attraction to Biofilms through Electrical Signaling

Jacqueline Humphries, Liyang Xiong, Jintao Liu, Arthur Prindle, Fang Yuan, Heidi A. Arjes, Lev Tsimring, Gürol M. Süel

doi:10.1016/j.cell.2016.12.014

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