生物膜和生物膜形成菌的研究解析

寇 靜 文雨潔 劉瑞鴿 馮 江 彭書鋒

（陜西中醫(yī)藥大學(xué) 陜西咸陽(yáng) 712046）

細(xì)菌生物膜是在一定環(huán)境下產(chǎn)生的，菌體通過(guò)附著在物體表面，釋放一系列物質(zhì)，形成了系統(tǒng)性的菌體群落。在我國(guó)生物領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)?xì)菌生物膜不斷了解和分析之下，發(fā)現(xiàn)人體很多常見的頑固性疾病，與細(xì)菌生物膜有著直接關(guān)系，甚至成為了頑固性疾病無(wú)法根治的主要原因。之所以細(xì)菌生物膜是頑固性疾病的主因，是因?yàn)橐约?xì)菌生物膜形式存在的細(xì)菌，對(duì)于抗生素、殺菌劑、惡劣環(huán)境破壞有著很強(qiáng)的防御機(jī)制，其抗查殺能力非常強(qiáng)。因?yàn)榧?xì)菌生物膜內(nèi)是一個(gè)系統(tǒng)性菌體群落，細(xì)菌生物膜內(nèi)細(xì)菌在生理代謝時(shí)，對(duì)底物的降解存在抵抗能力。所以細(xì)菌生物膜在生物領(lǐng)域受到了極大重視，借助對(duì)細(xì)菌生物膜的研究，可以對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域治療頑固性疾病帶來(lái)福祉。此外，細(xì)菌生物膜也很容易在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中存在，所以深入分析細(xì)菌生物膜，也可以促進(jìn)工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步，本文將針對(duì)生物膜以及生物膜形成菌進(jìn)行詳細(xì)分析。

一、細(xì)菌生物膜內(nèi)涵概述

細(xì)菌生物膜形成的位置主要是在物體表面，構(gòu)成的要素主要是菌體在物體表面黏連附著，并且在物體表面分泌黏性胞外聚合物，并且在物體表面進(jìn)行生長(zhǎng)，構(gòu)建成一個(gè)系統(tǒng)性的細(xì)菌群落。細(xì)菌生物膜在生活當(dāng)中隨處可見，不僅可以在人體、動(dòng)物體外構(gòu)成，而且還可以在某些自然環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生。結(jié)合細(xì)菌生物膜實(shí)際特質(zhì)來(lái)看，一般的細(xì)菌生物膜都是附著在有活性、無(wú)活性物體表面當(dāng)中，以生物膜的形式進(jìn)行生長(zhǎng)[1]。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，借助激光共聚焦掃描顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等設(shè)備，便可以觀察到細(xì)菌生物膜的內(nèi)部形態(tài)和結(jié)構(gòu)。通過(guò)我國(guó)生物領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)?xì)菌生物膜的研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生物膜是一個(gè)系統(tǒng)性的菌體群落，具備連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，而不是當(dāng)做一個(gè)個(gè)體看待。細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)具備一定的復(fù)雜性，并且存在三維結(jié)構(gòu)信息傳遞系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜性、系通過(guò)性菌落社會(huì)群體。

二、細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)形成階段

生物膜形成，可以由純菌直接構(gòu)成，也可以由多種菌種構(gòu)成。針對(duì)多種菌種構(gòu)成的生物膜來(lái)說(shuō)，因?yàn)榫N類型存在差別，所以不同菌種構(gòu)成生物膜的時(shí)間、空間、生長(zhǎng)順序也存在差異，所以多菌種構(gòu)成的生物膜，存在菌種交替演變的情況。通過(guò)生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)生物膜形成過(guò)程進(jìn)行觀察，了解到生物膜形成是一個(gè)多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，在不同階段下，生物膜發(fā)展存在差異。針對(duì)多菌種生物膜形成過(guò)程來(lái)看，主要存在以下幾個(gè)過(guò)程，分別是“細(xì)菌起始粘附期、生物膜生長(zhǎng)期、生物膜成熟期、生物膜散播期”等幾個(gè)階段，不同生長(zhǎng)階段下，生物膜細(xì)菌的生理特征存在差異。

（一）細(xì)菌起始粘附期

細(xì)菌起始粘附期是生物膜形成的第一階段，也是最為基礎(chǔ)的階段。菌體通過(guò)黏連、粘附的形式，依附在生物體表面，在粘附的過(guò)程中，菌體一般都是通過(guò)浮游細(xì)菌形式存在的，當(dāng)粘附成功之后，啟動(dòng)物體表面生物膜生成。單個(gè)附著的細(xì)胞僅由少量胞外聚合物包裹，但是實(shí)際上這些附著的細(xì)菌還并未進(jìn)入到生物膜的形成過(guò)程當(dāng)中。多種以浮游狀態(tài)生存和運(yùn)動(dòng)的菌體可以進(jìn)入到生物膜生成過(guò)程中，也可以脫離物體表面粘附的狀態(tài)，此時(shí)因?yàn)榫w還并未進(jìn)入到生物膜生成階段，所以浮游形式存在的菌體具備自由性、可逆性。

（二）生物膜生長(zhǎng)期

生物膜生長(zhǎng)期是菌體在物體表面粘附之后，通過(guò)調(diào)整其基因表達(dá)的方式，進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。在生物膜生長(zhǎng)時(shí)期，菌體會(huì)在生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程中，分泌大量胞外聚合物，借助此種形式來(lái)加強(qiáng)對(duì)物體表面的粘附。在生物膜生長(zhǎng)時(shí)期，菌體對(duì)于物體粘附力度極強(qiáng)，粘附力度是牢不可破、不可逆的，進(jìn)入生物膜生長(zhǎng)階段的菌體，則無(wú)法再回到浮游菌體狀態(tài)[2]。生物膜生成階段，胞外聚合物可粘結(jié)單個(gè)細(xì)菌并且形成細(xì)菌結(jié)塊，構(gòu)建成微菌落。在此基礎(chǔ)上，大量細(xì)菌不斷堆積，促使生物膜加厚。

（三）生物膜成熟期

生物膜成長(zhǎng)期，細(xì)菌生物膜形態(tài)逐漸生成，在菌體之間交互、合并、重組之后，細(xì)菌生物膜以不可逆的階段進(jìn)入成熟期。成熟期之后生物膜構(gòu)建成了具有高度的組織結(jié)構(gòu)，生物學(xué)家借助激光聚焦顯微鏡，觀察到成熟生物膜的結(jié)構(gòu)均具有不均勻性，其形狀類似蘑菇狀或者堆積狀。在細(xì)菌生物膜成熟階段，細(xì)菌生物膜當(dāng)中存在微小的菌落，這些菌落之間圍繞著輸水通道，借助這些輸水通道來(lái)相互運(yùn)送養(yǎng)料、酶、代謝產(chǎn)物，并且借助這些輸送通道來(lái)排泄廢物。借助對(duì)成熟期細(xì)菌生物膜的內(nèi)部觀察，可以發(fā)現(xiàn)成熟期的細(xì)菌生物膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)宛若原始狀態(tài)的循環(huán)系統(tǒng)。

（四）生物膜散播期

生物膜散播期是細(xì)菌生物膜形成發(fā)展的最后階段，所謂的生物膜散播期，便是在這個(gè)階段，細(xì)菌可以從生物膜或者物體表面載體當(dāng)中釋放輸出[3]。已經(jīng)生長(zhǎng)成熟的細(xì)菌生物膜，借助蔓延、部分脫落等形式，釋放出細(xì)菌，以浮游菌體的形式進(jìn)行擴(kuò)散。菌體在細(xì)菌生物膜擴(kuò)散之下，從細(xì)菌生物膜當(dāng)中釋放出來(lái)，以浮游菌體的形式存在并且進(jìn)行更大范圍的擴(kuò)散，通過(guò)粘附、生長(zhǎng)、成熟，成為新的細(xì)菌生物膜。生物研究人員通過(guò)雙向凝膠蛋白電泳圖譜對(duì)擴(kuò)散出來(lái)的浮游菌體、成熟細(xì)菌生物膜當(dāng)中的細(xì)菌進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)離散細(xì)菌更加像浮游細(xì)胞，這也印證了細(xì)菌生物膜發(fā)展是一個(gè)不斷擴(kuò)散、不斷循環(huán)的過(guò)程中，生物膜具備散播性。

三、細(xì)菌細(xì)胞在細(xì)菌生物膜形成當(dāng)中的作用

在我國(guó)生物學(xué)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)?xì)菌生物膜深入研究下，對(duì)細(xì)菌生物膜的形成機(jī)制、了解認(rèn)識(shí)取得了進(jìn)一步的進(jìn)展[4]。當(dāng)前我國(guó)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)明確細(xì)菌生物膜形成，除了與生物膜必備養(yǎng)料、水動(dòng)力有關(guān)之外，還與細(xì)菌生物膜形成的菌體有關(guān)。我國(guó)醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域，詳細(xì)對(duì)細(xì)菌生物膜形成的細(xì)菌進(jìn)行了等條件致病菌研究，并從基因水平層次上，對(duì)細(xì)菌的鞭毛、纖毛、胞外聚合物、群體感應(yīng)信號(hào)分析等相關(guān)細(xì)菌細(xì)胞因子進(jìn)行詳細(xì)分析，構(gòu)建出了細(xì)菌細(xì)胞與細(xì)菌生物膜形成相關(guān)的研究?jī)?nèi)容。

（一）鞭毛、纖毛

通過(guò)分析和研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌細(xì)胞鞭，在固體環(huán)境下的運(yùn)用能力以及所具備的粘附能力，與細(xì)菌生物膜最初形成狀態(tài)有關(guān)[5]。在對(duì)細(xì)菌細(xì)胞研究之前，了解鞭毛參與了生物膜形成的過(guò)程，但是對(duì)于鞭毛在一些細(xì)菌細(xì)胞當(dāng)中存在的功能并不完全明確。近年來(lái)，我國(guó)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域意識(shí)到了細(xì)菌生物膜對(duì)于頑固性疾病的影響，通過(guò)對(duì)癱瘓病人的研究，發(fā)現(xiàn)造成運(yùn)動(dòng)能力喪失的細(xì)菌運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，存在細(xì)菌基因突變菌株，并且針對(duì)該細(xì)菌細(xì)胞鞭毛與細(xì)菌生物膜生成關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步分析研究，揭示了鞭毛在細(xì)菌生物膜生成當(dāng)中所起到的作用。例如，通過(guò)對(duì)周生鞭毛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析研究，對(duì)編碼鞭毛蛋白基因進(jìn)行插入突變、對(duì)細(xì)菌細(xì)胞鞭毛進(jìn)行調(diào)控基因插入突變，有效抑制了鞭毛的形成，從而造成細(xì)菌細(xì)胞鞭毛喪失了運(yùn)動(dòng)能力。在此種情況之下，野生型菌株相比鞭毛缺失、鞭毛癱瘓情況下的細(xì)菌來(lái)說(shuō)，更加迅速的生成細(xì)菌生物膜，而鞭毛破壞、鞭毛缺失的細(xì)菌細(xì)胞，則無(wú)法生成細(xì)菌生物膜[6]。所以，細(xì)菌細(xì)胞鞭毛，在細(xì)菌生物膜形成過(guò)程當(dāng)中起到了重要的作用，若細(xì)菌細(xì)胞鞭毛遭受到破壞，那么直接導(dǎo)致細(xì)菌生物膜無(wú)法生成。

（二）胞外聚合物

菌體想要生長(zhǎng)成細(xì)菌生物膜，最不可或缺的物質(zhì)便是胞外聚合物，細(xì)菌生物膜當(dāng)中，胞外聚合物的數(shù)量比例較多。針對(duì)胞外聚合物來(lái)說(shuō)，將其進(jìn)行拆解分析，是由多糖、蛋白質(zhì)、核酸等諸多物質(zhì)構(gòu)成的，胞外聚合物作為生物膜的主要部分，對(duì)細(xì)菌生物膜有著直接影響[7]。在細(xì)菌生物膜形成生長(zhǎng)的過(guò)程中，細(xì)菌細(xì)胞在與外界物體進(jìn)行粘附之后，胞外聚合物直接參與了細(xì)菌細(xì)胞與物體粘附的過(guò)程中，細(xì)菌細(xì)胞是借助胞外聚合物來(lái)構(gòu)建成細(xì)菌細(xì)胞不可逆狀態(tài)，胞外聚合物的生產(chǎn)量與細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)有著直接關(guān)系。著名生物學(xué)家Davies等人發(fā)現(xiàn)P.aeruginosa的黏液狀菌株與非黏液狀菌株相比，可構(gòu)建成更加多樣化、復(fù)雜化的細(xì)菌生物膜。O-乙酰化藻鹽酸是P.aeruginosa的黏液胞外多糖的主要成分，是形成生物膜結(jié)構(gòu)不可或缺的重要物質(zhì)。P.aeruginosa野生型非黏液菌株在正常情況下可以生成平坦?fàn)顟B(tài)的細(xì)菌生物膜，但是藻鹽酸過(guò)度表達(dá)生成的細(xì)菌生物膜則是蘑菇狀，其中充滿了獨(dú)立分隔的水道，造成不同菌落之間物質(zhì)傳輸?shù)墓聧u，對(duì)細(xì)菌生物膜成熟、擴(kuò)散帶來(lái)了一定程度上的阻礙[8]。生物學(xué)研究者Paul等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，胞外聚合物瓦解會(huì)降低細(xì)菌生物膜形成的復(fù)雜性，提升細(xì)菌生物膜對(duì)抗生素等細(xì)菌查殺藥品的敏感性，對(duì)細(xì)菌生物膜的穩(wěn)定性帶來(lái)一定程度的影響。

（三）群體感應(yīng)信號(hào)分子

細(xì)菌生物膜在成熟之后，內(nèi)部具備系統(tǒng)化、復(fù)雜性，并且存在三維結(jié)構(gòu)信息傳遞系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜性、系通過(guò)性菌落社會(huì)群體。在細(xì)菌生物膜構(gòu)建的過(guò)程中，從浮游狀態(tài)菌體，到組織化清晰的動(dòng)態(tài)化菌落，細(xì)菌群體感應(yīng)機(jī)制在細(xì)菌生物膜當(dāng)中起到了非常重要的作用[9]。針對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，一些頑固性疾病之所以存在，主要的原因是細(xì)菌生物膜當(dāng)中存在群體感性系統(tǒng)，可以降低抗生素等藥物對(duì)細(xì)菌的查殺效率，所以細(xì)菌生物膜難以破壞。群體感應(yīng)系統(tǒng)是細(xì)菌結(jié)合細(xì)胞密度變化進(jìn)行的基因表達(dá)調(diào)控行為，具備群體感應(yīng)的細(xì)菌生物膜，能夠釋放出自體誘導(dǎo)物信號(hào)分子，這種信號(hào)分子會(huì)隨著細(xì)胞密度的增加而增加，若信號(hào)分析累積到一定閾值，那么便可以調(diào)控蛋白結(jié)合，從而啟動(dòng)細(xì)菌中特定的基因表達(dá)?？陀^來(lái)說(shuō)，群體感應(yīng)系統(tǒng)的機(jī)能，是隨著細(xì)菌生物膜當(dāng)中細(xì)菌細(xì)胞密度的增加而增加的。在群體感應(yīng)機(jī)能的引領(lǐng)下，細(xì)菌細(xì)胞可以與周圍環(huán)境進(jìn)行信息交流，從而改變細(xì)菌細(xì)胞的活躍程度、生理活動(dòng)性，并且調(diào)換細(xì)菌細(xì)胞的生存模式。通過(guò)對(duì)體外細(xì)菌生物膜進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌生物膜當(dāng)中群體感應(yīng)系統(tǒng)健全的細(xì)菌細(xì)胞，可以形成典型、高效的對(duì)抗殺菌劑能力，在細(xì)菌細(xì)胞外形成抵抗殺菌劑的生物膜[10]。但是群體感應(yīng)系統(tǒng)不健全、出現(xiàn)破壞現(xiàn)象的細(xì)菌生物膜，則無(wú)法感應(yīng)殺菌劑，無(wú)法在細(xì)菌細(xì)胞外形成抗細(xì)菌查殺的生物膜，很容易被沖洗掉、對(duì)殺菌劑敏感，造成細(xì)菌生物膜破壞。但是如果在群體感應(yīng)系統(tǒng)破壞的細(xì)菌生物膜當(dāng)中添加AHL分子，那么細(xì)菌會(huì)快速的重新恢復(fù)到成熟的細(xì)菌生物膜狀態(tài)。

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，生物膜與細(xì)菌生物膜研究的意義重大，不僅可以為生物學(xué)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，而且還可以為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。在我國(guó)科學(xué)事業(yè)不斷發(fā)展的當(dāng)下，必須要重視起對(duì)生物膜與細(xì)菌生物膜的研究，為頑固性疾病的突破、社會(huì)環(huán)保事業(yè)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)保障，充分展現(xiàn)出科學(xué)的力量，促進(jìn)我國(guó)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域不斷發(fā)展。