微生物學家長期以來一直采用人類居住的語言來描述細菌如何生活和生長：它們“入侵”并“殖民”。關(guān)系密切的關(guān)系是“殖民地”。通過將超分辨率成像技術(shù)與計算算法結(jié)合使用，Nature Communications的一項新研究證實了這種隱喻比科學家們可能已經(jīng)意識到的更貼切。研究結(jié)果表明，隨著單個細菌繁殖并生長成致密且粘稠的生物膜(例如形成牙菌斑的群落)，它們的生長方式和動態(tài)與城市的增長相仿。

我們采取這種“衛(wèi)星水平”的觀點，跟隨數(shù)百種細菌從最初定居到生物膜形成的過程分布在表面上。我們所看到的是，它們的增長的空間和結(jié)構(gòu)特征非常類似于我們在城市化中所看到的。”

關(guān)于生物膜如何生長的新觀點可以幫助促進努力促進有益微生物的生長，或者通過治療劑分解并殺死不良的生物膜。

這項研究的想法源于Koo之間的對話。Penn牙科醫(yī)學助理教授Geelsu Hwang，他將工程學應用于口腔健康問題;物理學家Amauri Paula曾在Koo實驗室擔任客座教授。

Koo說：“通常，當人們研究生物膜時，他們會在狹窄的視野中分析單個細胞，因為它會繁殖，變成簇并開始聚集。” “但是我們想知道是否同時跟蹤多個單獨的細胞，是否可以識別出較大的長度模式。”

Hwang開發(fā)了功能強大的延時成像工具，該工具采用了共聚焦激光掃描顯微鏡技術(shù)，能夠分析表面形貌并跟蹤隨時間推移在三個維度上向下擴散到單個細胞的細菌。同時，Paula致力于建立一種算法，可以分析這種增長隨時間的行為。

在他們的研究中，他們使用了變形鏈球菌(Streptococcus mutans)微生物，它是一種口腔病原體，當形成生物膜(通常稱為牙菌斑)并釋放出會腐蝕牙釉質(zhì)的酸時，會引起蛀牙。

他們將細菌散布在牙齒琺瑯質(zhì)的材料上，并在數(shù)小時內(nèi)隨著數(shù)百個個體微生物的分裂和生長而生長。

研究小組發(fā)現(xiàn)，總體而言，增長方式讓人聯(lián)想到城市地區(qū)的形成。一些個體的“定居者”成長為小細菌的“村莊”。然后，隨著村莊邊界的擴大，在某些情況下會合，它們合并形成更大的村莊，最終形成“城市”。這些城市中的一些然后合并形成更大的“特大城市”。

令研究人員感到驚訝的是，他們的結(jié)果表明只有一部分細菌在生長。Koo說：“我們認為大多數(shù)細菌最終都會生長。” “但是實際數(shù)字還不到40%，其余的要么消失，要么被其他小殖民地的增長所吞沒。”

他們也沒想到這種吞噬發(fā)生時會缺乏抑制。他們認為，隨著不同的小殖民地的相遇，他們可能會相互競爭，導致兩條邊緣可能會排斥。

Koo說：“相反，它們合并并開始成長為一個整體。”

在單個細菌和整個生物膜范圍內(nèi)，研究人員都證實，稱為細胞外聚合物質(zhì)(EPS)的膠狀分泌物使細菌能夠在生物膜中緊密緊密地聚集在一起。當他們引入一種可消化EPS的酶時，這些群落溶解并返回到單個細菌的集合中。

Koo說：“沒有EPS，它們將失去密集包裝和形成這些'城市'的能力。”

最后，研究人員進行了實驗，以了解添加微生物“朋友”或“敵人”將如何影響原始細菌的生長。“敵人”是口頭鏈球菌，一種可以抑制變形鏈球菌生長的細菌。這種添加極大地削弱了變形鏈球菌形成更大的“城市” 的能力，例如破壞性鄰居可能影響社區(qū)的集體成長。

Koo和其他人發(fā)現(xiàn)這種“朋友”(一種真菌白念珠菌)與生物膜中的變形鏈球菌發(fā)生相互作用，并導致牙齒腐爛。它沒有影響生物膜的生長速度，但確實有助于橋接相鄰的微菌落，從而促進了發(fā)育。較大的“城市”。

Koo告誡不要將生物膜生長的城市化比喻過分夸張，但要強調(diào)從整體研究系統(tǒng)并通過“特寫”和“鳥瞰”兩種觀點審視事件可能產(chǎn)生的有益經(jīng)驗。

Koo說：“這是一個有用的類比，但應帶一點鹽。” “我們并不是說這些細菌是擬人化的。但是，從生物膜生長的角度來看，這給了我們前所未有的多尺度，多維的圖像，說明了它們?nèi)绾紊L。”