藻酸盐外聚合物显著调控细菌生物膜的粘弹性与抗逆性机制研究

本研究针对铜绿假单胞菌生物膜中基质成分对机械稳定性的影响展开深入探究。通过比较藻酸盐过表达突变株(△mucA)与野生型(PAO1)的生物膜特性，发现N-乙酰半胱氨酸(NAC)处理后，藻酸盐基质通过唐南效应(Donnan effect)发生溶胀并提升弹性模量(G')，而Psl主导的野生型基质则因交联断裂导致机械稳定性下降。该成果发表于《npj Biofilms and Microbiomes》，为理解慢性感染中生物膜耐药性提供了聚合物物理学新视角。

　　

在微生物世界中，细菌生物膜如同坚固的城堡，其由胞外聚合物(EPS)构成的基质就像混凝土般保护着内部的细菌居民。这种结构使生物膜对抗生素和免疫系统具有惊人的抵抗力，尤其在慢性感染如囊性纤维化(CF)患者肺部，铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)形成的生物膜更是治疗难题。更棘手的是，即使杀死细菌，残留的基质仍可能成为细菌重新定植的温床。那么，基质的物理特性如何影响这种保护作用？这正是新加坡科研团队在《npj Biofilms and Microbiomes》发表的研究要解决的核心问题。

研究团队采用藻酸盐过表达的突变株P. aeruginosa△mucA和野生型PAO1，通过粒子追踪微流变技术(PTM)实时监测生物膜机械特性，结合NAC处理模拟抗菌过程。关键方法包括：1) 流式细胞培养系统构建3D生物膜；2) 荧光标记与共聚焦显微镜观察细菌定植；3) PTM技术定量弹性模量(G')和粘性模量(G")；4) pH调控实验分析基质溶胀动力学。

抑制预形成生物膜的细菌再定植
通过GFP/mCherry双标记实验发现，无论是△mucA还是PAO1生物膜，新接种细菌仅占生物总量的1-7%，证实活体生物膜具有极强的抗定植能力。这种保护作用可能源于细菌分泌的抗菌物质，但基质的物理屏障同样关键。

残留基质的抗定植作用
NAC处理后，藻酸盐丰富的△mucA基质仅允许23%的野生型细菌定植，显著低于PAO1基质的48%。这表明藻酸盐基质通过物理阻隔而非化学毒性发挥作用。

粘弹性变化的动态响应
PTM数据显示，△mucA基质在NAC处理后发生特征性溶胀：

• 微菌落面积增至130%初始大小
• 弹性模量从19±14 Pa跃升至138±75 Pa
• pH恢复至7时，G'出现反常增长（符合聚电解质凝胶的唐南平衡理论）
  
  

野生型基质的差异化响应
PAO1基质呈现两种命运：未溶胀菌落的G'从57±45 Pa降至10±9 Pa（交联断裂），而溶胀菌落G'则增至210±142 Pa，证实Psl多糖的中性特性导致机械稳定性下降。

这项研究首次将聚合物物理学的标度律(Scaling laws)应用于生物膜研究：

1. 对于聚电解质凝胶：G'∝φ²
   （藻酸盐基质）
2. 对于中性凝胶：G'∝φ^1/3
   （Psl基质）
   这种理论框架完美解释了藻酸盐通过溶胀增强机械强度的反常现象。在临床层面，研究揭示了慢性感染中 mucA突变株的优势——藻酸盐基质即使在没有活菌时仍能维持结构完整性，这为开发针对基质物理特性的新型抗生物膜策略提供了方向。正如作者Binu Kundukad等强调的，理解EPS成分的机械性能，将是攻克生物膜相关慢性感染的关键突破口。