美国实验室揭露细菌&

摘要：美国加州理工学院（Caltech）的研究人员重新引入一项经典技术，成功实现了对生物膜中单个细胞形成与生长过程的成像。生物膜是一种由数百万细胞组成的粘性团块，常常引发具有抗生素耐药性的感染。这项新方法将助力解答生物膜行为机制的长期未解之谜，其研究成果有望为对抗慢

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美国加州理工学院（Caltech）的研究人员重新引入一项经典技术，成功实现了对生物膜中单个细胞形成与生长过程的成像。 生物膜是一种由数百万细胞组成的粘性团块，常常引发具有抗生素耐药性的感染。这项新方法将助力解答生物膜行为机制的长期未解之谜，其研究成果有望为对抗慢性感染提供新思路。

该研究由生物学与地球生物学戈登·M·宾德/安进讲席教授、梅尔金研究所教授黛安·纽曼（Dianne Newman）的实验室主导，博士后学者乔治娅·斯奎尔斯（Georgia Squyres）负责具体实施。相关论文已发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

生物膜作为一个整体，具备单个细胞所不具备的特性，包括形成防御性基质等群体行为，使其能够抵御抗生素的攻击。 斯奎尔斯与纽曼正致力于解析生物膜中的细胞究竟是如何协同构建这种防御机制的。

要实现这一目标，研究人员首先需要能够对生物膜中所有细胞的行为进行同步成像与追踪。传统的生物成像技术通常依赖荧光蛋白，但这类蛋白需要氧气才能发挥作用。关键问题在于，生物膜的内部核心区域往往处于缺氧状态，这意味着常规的荧光标记方法在那里会完全失效。

在这项新研究中，斯奎尔斯创新性地将荧光技术用在了细胞培养基上，而不是细胞本身。她采用一种廉价无毒的染料，使得细胞在明亮的背景中呈现为暗色。 这种方法不仅能在缺氧的生物膜核心区域有效工作，还显著延长了高分辨率成像的持续时间。通过将该方法与单细胞行为检测算法相结合，斯奎尔斯成功追踪了生物膜在数天内的生长过程与细胞动态。

研究团队选用了常见的致病菌铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）作为实验对象，该细菌常引发感染。不过，这项技术据称可适用于任何能形成生物膜的细菌物种。

纽曼评价道：“乔治亚的研究在技术层面具有多重挑战性，堪称一项重大突破。但更令我钦佩的并非技术本身，而是她对技术应用前景的远见。 通过利用细菌生物膜的独特特性，她提出的问题正在开拓发育生物学和细胞生物学的新领域。”

凭借这项新技术，斯奎尔斯解答了生物膜发育机制的一个未解之谜。生物膜中的单个细胞被一种称为“细胞外基质”的粘稠物质包裹，其中包含DNA。当细胞死亡并通过溶解过程（即裂解）破裂时，这种细胞外DNA（eDNA）会被释放到基质中。eDNA是生物膜的主要组成部分，它帮助细胞相互粘附，赋予生物膜结构稳定性，并能保留生物膜发育所需的某些代谢物。

某些抗生素也会被这种eDNA捕获，从而无法抵达它们的目标细胞。鉴于eDNA是在细胞死亡时释放的，这意味着生物膜中的特定细胞实际上是通过自我牺牲，来维持基质中eDNA的持续供应。

为了探究生物膜中这些“牺牲细胞”是如何被筛选出来的，斯奎尔斯试图将生物膜内正在裂解的细胞可视化，并观察它们是否位于整体结构中的特定位置。她发现，每小时大约有万分之一的细胞会发生裂解，并且这些细胞均位于生物膜中的特定位置——这些位置是由碳、氧等营养物质的梯度分布所决定的。通过绘制这些裂解事件的分布图，她成功揭示了生物膜eDNA基质的形态形成机制。

“生物膜中的抗生素耐受性是由单个细胞协同调控的，我希望这项研究能为探索其行为机制提供一个新的框架。”斯奎尔斯表示。