《科学进展》：细菌在聚合物中形成电缆，生长成活的凝胶

实验和模型揭示了在粘液样本和生物膜中生长的细菌中可以看到的意想不到的结构。

　　

加州理工学院和普林斯顿大学的科学家发现，细菌细胞在聚合物溶液中生长，如粘液，形成长长的电缆，相互弯曲和扭曲，形成一种“活果冻”。 

这一发现对囊性纤维化等疾病的研究和治疗尤其重要。囊性纤维化是指肺部黏液变得更加集中，通常会导致黏液中的细菌感染，从而危及生命。这一发现也可能在研究被称为生物膜的细菌的聚合物分泌团块——例如河岩上光滑的粘稠物——以及在工业应用中它们可能导致设备故障和健康危害的研究中产生影响。 

这项研究发表在1月17日的《科学进展》杂志上。 

加州理工学院化学工程、生物工程和生物物理学教授、这篇新论文的通讯作者苏吉特·达塔（Sujit Datta）说：“我们发现，当许多细菌在含有被称为聚合物的面条状分子的液体中生长时，它们会形成像活凝胶一样缠绕在一起的电缆状结构。有趣的是，这些结构形成的物理原理与许多无生命凝胶（如Purell或Jell-O）背后的微观物理原理有相似之处。” 

达塔最近从普林斯顿大学搬到了加州理工学院。他在普林斯顿的研究生之一塞巴斯蒂安·冈萨雷斯·拉科尔特（Sebastian Gonzalez La Corte）是这篇论文的主要作者。他和Datta一直对囊性纤维化患者的肺部和肠道粘液浓度的变化很感兴趣，因为囊性纤维化患者体内的聚合物比平时多。Gonzalez La Corte利用MIT同事提供的黏液样本，在常规液体和囊性纤维化样样本中培养大肠杆菌（通常用于实验室研究），然后在显微镜下观察这些样本，观察细菌细胞在每种情况下的生长情况。 

他把重点放在失去游泳能力的细胞上，就像自然界中的许多细菌一样。在正常情况下，当这种细胞分裂成两个细胞时，产生的细胞会分离并相互扩散。然而，Gonzalez La Corte发现，在聚合溶液中，复制的细胞仍然彼此粘在一起，端到端。 

Gonzalez La Corte说：“当细胞继续分裂并相互粘在一起时，它们开始形成这些美丽的长结构，我们称之为电缆。”“在某种程度上，它们实际上会相互弯曲和折叠，形成一个纠缠的网络。” 

研究小组发现，只要细胞有所需的营养物质，这些电缆就会继续延长和生长，最终形成数千个细胞长的链。

随后的实验表明，引入哪种细菌种类似乎无关紧要，有机聚合物溶液的类型也无关紧要；一旦有足够的聚合物包围细菌细胞，电缆就会生长。研究人员甚至在合成聚合物中的细菌身上也看到了同样的结果。

虽然这项研究的最初动机是为了更好地了解囊性纤维化患者感染的增长，但研究结果具有更广泛的相关性。粘液在人体中扮演着重要的角色，不仅在肺部，而且在肠道和宫颈阴道道。达塔说，这项工作在生物膜的背景下也很重要，生物膜是细菌群，它们可以生长出自己的封装聚合物基质。人体内有生物膜，如牙菌斑，但它们在土壤和工业环境中也非常常见，它们会损坏设备并造成健康危害。

达塔说：“它们分泌的聚合物基质使得生物膜很难从表面去除，也很难用抗生素治疗。”“了解细胞如何在基质中生长可能是发现如何更好地控制生物膜的关键。”

背后的物理原理 

通过精心设计的实验，研究小组发现，包围分裂细胞的聚合物施加的外部压力是迫使细胞聚集在一起并将它们固定在原位的原因。在物理学中，这种受外界压力控制的吸引力被称为耗竭相互作用。Gonzalez La Corte使用损耗相互作用理论创建了细菌电缆生长的理论模型。该模型可以预测电缆何时能在聚合物环境中存活和生长。 

达塔说：“现在我们实际上可以使用聚合物物理学的既定理论，这些理论是为这些生物系统中完全不同的东西而开发的，可以定量预测这些电缆何时出现。” 

细菌为什么会形成这些？ 

“我们发现了这个有趣、不寻常、非常意外的现象，”达塔说。“我们也可以从力学和物理学的角度解释为什么会发生这种情况。现在的问题是：生物学意义是什么？”

有趣的是，有两种可能性：细菌可能聚集在一起形成这种活凝胶网络，努力使自己更大，从而更难以被免疫细胞吞噬和破坏。另外，电缆的形成实际上可能对细菌有害。毕竟，寄主的分泌物会导致细菌构建电缆。“黏液不是静态的；例如，在肺部，它不断被肺部表面的小毛发扫过并向上推进，”达塔说。“有没有可能，当细菌都聚集在这些电缆中时，实际上更容易摆脱它们——将它们排出体外？”

目前，没有人知道哪种可能性是正确的，达塔说，这就是这个项目仍然有趣的原因。他说：“既然我们已经发现了这种现象，我们就可以提出这些新问题，并设计进一步的实验来验证我们的怀疑。”