《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Interfacial Assembly of Marine Exopolysaccharide EPS MO245 Reduces
Pseudomonas aeruginosa Adhesion on Silica
编辑推荐：
摘要
海洋胞外多糖作为非生物杀灭性防粘剂的研究日益增多，然而，其性能主要受固体-液体界面上组装方式的调控，而不仅仅是其本身的化学性质。本文比较了海洋胞外多糖EPS MO245和透明质酸（HA）在二氧化硅表面的吸附情况，并探讨了由此形成的界面层如何影响铜绿假单胞菌（Pseudo
摘要
海洋胞外多糖作为非生物杀灭性防粘剂的研究日益增多，然而，其性能主要受固体-液体界面上组装方式的调控，而不仅仅是其本身的化学性质。本文比较了海洋胞外多糖EPS MO245和透明质酸（HA）在二氧化硅表面的吸附情况，并探讨了由此形成的界面层如何影响铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa PAO1）的粘附行为。通过石英晶体微天平与耗散（QCM-D）测量发现，在特定物理化学条件下（低pH值和高离子强度），EPS MO245能够吸附在裸露的二氧化硅表面，而HA在同一条件下则没有明显的吸附现象。尽管这两种多糖都带有负电荷，但这种不同的吸附行为表明，电静力作用不能完全解释它们在界面上的组装机制。纯化和离子复合物实验表明，包括二价阳离子在内的天然相关物质参与了EPS MO245的吸附过程，但未能完全解释这一现象，这表明短程相互作用可能也起着重要作用（这些作用源于EPS的大异质结构）。透明质酸只有在沉积一层阳离子聚L-赖氨酸（PLL）中间层后才能固定在二氧化硅表面上，从而形成含水的粘弹性薄膜。细菌粘附实验显示，涂有EPS MO245的表面显著降低了细菌的定殖能力，并削弱了粘附细胞与基底的机械连接，而涂有HA/PLL的表面仍能被细菌大量定殖。这些结果表明，防粘性能不仅取决于聚合物的化学性质，还取决于其形成稳定、含水且具有良好机械顺应性的界面层的能力，因此EPS MO245是一种有前景的海洋来源的非生物杀灭性防粘剂候选材料。
引言
细菌在固体表面形成生物膜是工业和生物医学环境中的一个主要问题，因为它会导致生物污染、材料降解和持续感染[1][2][3]。在生物膜中，微生物嵌入由多糖、蛋白质、胞外DNA和脂质组成的自我产生的细胞外基质中。这种基质提供了机械凝聚力，促进了细胞与表面的粘附，并保护细胞免受环境压力的影响[2][4]。由于这些界面功能，特别是胞外多糖（EPS），作为非生物杀灭性防粘剂或防污剂的潜力引起了越来越多的关注[5][6]。
细菌和海洋来源的EPS特别具有吸引力，因为它们可以在不影响细胞存活的情况下改变表面的物理化学性质并减少微生物的粘附[7][8][9]。例如，Zanna等人[10]发现，预先吸附在铬表面的细胞外基质薄膜能够显著抑制细菌粘附。他们的QCM和X射线光电子能谱分析表明，该薄膜具有分层结构，其中蛋白质将薄膜固定在基底上，而多糖则形成具有防粘效果的外层。更一般地说，模型多糖涂层（如海藻酸盐和果胶基涂层）作为稳定的界面薄膜使用时，已被证明可以减少蛋白质吸附和细菌粘附[11]。这些观察结果表明，多糖的防污性能不仅取决于其化学组成，还取决于其形成稳定界面的能力[12]。
透明质酸（HA）因其线性阴离子结构、出色的亲水能力和形成高度含水界面层的性能而被广泛用作模型亲水性多糖[13]。据报道，基于HA的涂层可以减少蛋白质吸附和细菌粘附，尤其是在通过接枝或嵌入多层结构以确保界面稳定性的情况下[14][15][16]。然而，HA在氧化物表面的自发吸附受到很大限制，这与溶液条件（如pH值、离子强度和表面化学性质）密切相关[16][17]。HA在二氧化硅表面上的吸附主要受到带负电荷的聚合物与带负电荷的二氧化硅表面之间的静电排斥作用的影响，只有在酸性条件下才能观察到可测量的吸附[17]。
类似的静电限制也适用于其他阴离子多糖。例如，藻酸盐在低离子强度下的吸附几乎可以忽略不计，但随着盐浓度的增加，静电屏蔽作用增强，吸附量也随之增加[18]。对于细菌产生的胞外聚合物物质也有类似的观察结果，它们在单价和二价离子存在下在二氧化硅表面的沉积效果得到增强，并且对溶液化学性质非常敏感[18][19]。这些结果表明，多糖在氧化物表面的吸附受静电排斥、离子屏蔽和额外的短程相互作用之间的平衡所控制。
尽管取得了这些进展，但多糖在固体界面的吸附与细菌粘附之间的关系仍不完全清楚。特别是，目前尚不清楚防粘性能主要是由聚合物的内在特性（如电荷和亲水性）决定的，还是由聚合物形成稳定、含水且具有良好机械顺应性的界面层的能力决定的[20]。对于EPS MO245来说，这一问题尤为重要，因为它是一种类似透明质酸的海洋胞外多糖，此前已有研究报道其具有防粘性能，而尽管在结构上与HA有相似之处，HA在类似条件下却未表现出类似的效应[6]。
本研究直接基于我们早期报告[6]中的一个初步观察结果：在该报告中，EPS MO245在单一溶液条件下在二氧化硅表面引起了可检测的QCM频率变化，而HA则没有。在此基础上，我们测试了EPS MO245和HA的不同防粘性能是否反映了它们在界面上的保留和组装差异，而不仅仅是聚合物化学性质的差异。要公平地比较它们的防粘行为，首先需要确定HA是否以及如何被带到界面上。我们通过QCM-D在受控的pH值和离子强度条件下直接比较了它们在二氧化硅表面的吸附情况，结合了频率（Δf）和耗散（ΔD）分析，並评估了由此形成的界面层对铜绿假单胞菌PAO1（一种模型生物膜）粘附的影响。EPS MO245在裸露的二氧化硅表面上能够自发吸附；而HA由于在裸露的二氧化硅表面没有合适的吸附条件，因此通过阳离子PLL中间层进行固定。这一比较揭示了控制防粘性能的多糖界面物理化学特性。
章节片段
基底制备
所有QCM-D实验均使用了涂有二氧化硅的石英晶体（QSX 303，5 MHz，Biolin Scientific）。每次实验前，传感器均按照标准协议进行清洗。首先，基底暴露于紫外照射下10分钟，然后浸入2 wt%的十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中并在超声波作用下处理30分钟，随后在超声波作用下用Milli-Q水彻底冲洗。之后，传感器在纯度为99.99%的过滤氮气流动下干燥。
菌株与培养条件
铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）PAO1在Luria–Bertani（LB）培养基（10 g·L?1色氨酸、5 g·L?1酵母提取物和10 g·L?1 NaCl）中于37°C下培养24小时，同时进行轨道摇床振荡（125 rpm）。培养结束后，通过离心收集细胞，并将其重新悬浮在无菌生理盐水溶液（0.9 wt% NaCl）中，最终浓度约为10? CFU·mL?1。
通过QCM-D进行粘附测量
细菌粘附实验使用了铜绿假单胞菌PAO1。在细菌暴露之前，先对...
物理化学条件对HA和EPS MO245在二氧化硅表面吸附的影响
首先在受控的pH值和离子强度条件下，通过QCM-D研究了EPS MO245在二氧化硅表面的吸附行为（图2a-c）。频率变化（Δf）反映了界面处声学耦合质量的变化，而耗散变化（ΔD）提供了关于界面层粘弹性特性和机械耦合的补充信息。在低离子强度（15 mM NaCl）条件下，几乎观察不到EPS MO245的吸附现象
结论
在本研究中，我们比较了海洋胞外多糖EPS MO245和透明质酸（HA）在二氧化硅表面的吸附行为，并探讨了它们的界面组织如何影响铜绿假单胞菌PAO1的粘附。QCM-D测量结果显示，EPS MO245在特定物理化学条件下能够吸附在二氧化硅表面，尤其是在低pH值和高离子强度条件下吸附效果显著；而HA在同一条件下不会在裸露的二氧化硅表面上自发吸附
CRediT作者贡献声明
Eric Balnois：撰写、审稿与编辑、方法论设计、概念构思。Fabienne Fa?：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。Jean-Paul Chapel：撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据分析。Xavier Moppert：资源协调、项目管理。Marie Champion：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法论设计、实验实施、数据分析。Guillaume Vignaud：初稿撰写、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
Marie Champion | Jean-Paul Chapel | Xavier Moppert | Fabienne Fa? | Guillaume Vignaud
