生物膜流丝应力硬化行为：胞外核酸介导的力学适应性新机制

《Nature Communications》：Stress-hardening behaviour of biofilm streamers

本研究针对生物膜流丝在动态流体环境中如何维持结构完整性的力学适应机制这一关键问题，通过微流控平台结合原位流变学测试，首次揭示了流丝基质存在应力硬化行为：其微分杨氏模量（Ediff）和有效粘度（η）均随外界应力线性增加。该现象由胞外DNA（eDNA）的熵弹性主导，且胞外RNA（eRNA）通过调控网络密度调节力学响应。这一物理适应机制在不同菌种（如铜绿假单胞菌PA14、伯克霍尔德菌等）中高度保守，为理解生物膜在医疗器械堵塞、感染耐受等场景中的强韧性提供了新视角。

　　

在自然界和人体中，细菌常以生物膜的形式存在——它们被包裹在由多糖、蛋白质和核酸等构成的胞外聚合物基质中，形成宛如“微生物城市”的群落。这种生活方式让细菌能够抵抗抗生素、机械冲刷等外界压力，尤其在流动液体环境中，生物膜会形成细长的流丝结构，一端锚定在固体表面，另一端悬浮在流体中。这些流丝常见于医疗导管、水处理过滤器等高速流体环境，其生长往往导致灾难性堵塞。然而，在流速波动可达数个数量级的动态环境中，流丝为何能保持结构稳定？传统观点认为细菌通过主动分泌基质成分来适应环境，但是否存在更快速的物理适应机制，一直缺乏直接证据。

为回答这一问题，苏黎世联邦理工学院Giovanni Savorana等人在《Nature Communications》上发表研究，通过精巧的微流控实验与理论建模相结合，发现生物膜流丝具有显著的应力硬化行为：当外界流体应力增大时，流丝基质的刚度与粘度会即时线性提升。这种适应性并非依赖特定菌种或基质多糖，而是源于其骨架成分——胞外DNA的物理特性。更有趣的是，胞外RNA作为调节因子，能改变网络的交联密度，从而影响应力硬化的表现。该研究揭示了生物膜一种此前未知的纯力学适应策略，为理解其顽固性提供了新范式。

研究团队采用微流控芯片培养标准化的生物膜流丝，通过荧光染色与计算流体动力学模拟量化流丝形态及所受轴向应力；利用阶梯式流速扰动进行原位拉伸流变学测试，计算微分杨氏模量和有效粘度；结合蠕虫链模型理论分析应力硬化机理；并通过RNase、蛋白酶K酶解处理验证eRNA和蛋白质对网络结构的贡献。实验涵盖铜绿假单胞菌（PA14野生型、Pel缺陷株、Pel过表达株）、PAO1、伯克霍尔德菌、表皮葡萄球菌和大肠杆菌等多菌种对比。

环境流速影响生物膜流丝形态

通过调控生长流速（U_gr从0.42 mm/s至4.20 mm/s），发现流速升高会延迟流丝初始形成，并减少其最终长度，但近支柱处的流丝半径随流速增加而增大。这种形态变化与Pel多糖含量无关，提示流速通过物理作用而非成分改变影响流丝发育。

不同生长流速下流丝的流变学特征

力学测试表明，流丝的E_diff和η均与预应力σ₀呈线性关系（E_diff∝σ₀^0.99，η∝σ₀^1.11），且该趋势在Pel多糖缺陷或过表达株中保持一致，说明应力硬化是基质的固有特性，而非成分差异所致。

PA14流丝的应力硬化行为验证

通过对同一流丝段进行多次应力测试，证实E_diff和η随σ₀升高而增加的现象可在十分钟内可逆出现，排除生物适应性干扰，明确其为瞬时物理响应。

多菌种流丝普遍存在应力硬化

在革兰阳性（表皮葡萄球菌）和阴性菌（PAO1、伯克霍尔德菌、大肠杆菌）中均观察到一致的线性应力硬化行为，且eDNA是各菌种流丝的共有骨架成分，提示该机制具有普适性。

熵弹性是应力硬化的物理起源

基于蠕虫链模型的理论分析预测，eDNA网络在单轴拉伸下会经历线性弹性、线性硬化（E_diff∝σ₀）和幂律硬化（E_diff∝σ₀^1.5）三阶段，实验数据与中间段的线性缩放高度吻合，证实熵弹性为主导机制。

eRNA调控网络结构与力学行为

RNase处理导致流丝半径缩小、基质密度增加，并抑制应力硬化，使E_diff在测试应力范围内变为常数；而蛋白酶K处理无显著影响，说明eRNA通过调节eDNA网络交联密度参与力学响应，而非蛋白质。

该研究首次在原位条件下揭示了生物膜流丝通过eDNA的熵弹性实现应力硬化的物理适应机制。这种机制使流丝在高应力下变硬以抵抗破坏，在低应力下保持柔韧以促进延伸，无需依赖细菌的主动调控。eRNA作为调节子，通过改变网络密度影响硬化行为的临界应力。由于eDNA和eRNA在各类生物膜中广泛存在，该发现可能普适于其他生物膜架构。应力硬化不仅解释了流丝在动态环境中的结构韧性，也为针对胞外核酸的抗生物膜策略（如酶解或力学干预）提供了理论依据。未来需进一步解析eDNA-eRNA网络微观结构，并探索该机制在生物膜生态适应性与感染耐受性中的具体作用。