细菌使用与无线电波相似的化学信号进行交流

想到细菌联合起来形成一个能够合作、竞争和复杂交流的社会组织社区,起初似乎是科幻小说的内容–或者只是单纯觉得恶心。但是生物膜群落对人类健康有着重要的影响,从导致疾病到帮助消化,而且它们在一系列旨在保护环境和产生清洁能源的新兴技术中…

想到细菌联合起来形成一个能够合作、竞争和复杂交流的社会组织社区,起初似乎是科幻小说的内容–或者只是单纯觉得恶心。但是生物膜群落对人类健康有着重要的影响,从导致疾病到帮助消化,而且它们在一系列旨在保护环境和产生清洁能源的新兴技术中发挥着作用。

加州大学洛杉矶分校领导的新研究可以给科学家带来启示,帮助他们培养有用的微生物,或者从已经形成生物膜的表面,包括人体的组织和器官上清除危险的微生物。这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究描述了当生物膜形成时,细菌如何利用类似于无线电传输的化学信号与它们的后代进行交流。

研究人员表明,一种被称为环状二胍酸盐(或c-di-GMP)的信使分子的浓度水平可以随着时间的推移和不同世代的细菌以明确的模式增加和减少。该研究发现,细菌细胞利用这些化学信号波为它们的后代编码信息,帮助协调菌落的形成。

在这种现象中,一个特定的细胞是否附着在一个表面上受到这些振荡的特定形状的影响–很像信息存储在AM和FM无线电波中的方式。

“由于这些振荡协调了整个血统所做的事情,大量的细胞同时受到这些信号的控制,”通讯作者Gerard Wong说,他是加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院的生物工程教授和加州大学洛杉矶分校学院的化学和生物化学教授,也是加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所的成员。”这意味着我们可能有一个新的旋钮来控制或微调生物膜的形成,其作用就像细菌的大众传播。”

阻止生物膜的形成在某些情况下可以拯救生命,例如对抗囊性纤维化患者的肺部内壁的感染。

在其他情况下,提高培养生物膜的能力是有帮助的–例如,加强人类肠道中”好”细菌的菌落以帮助消化,或保护人们免受致病微生物的侵害。科学家和工程师,包括加州大学洛杉矶分校的一些科学家和工程师,正在努力开发能够分解塑料、吃掉工业废物或甚至在燃料电池中发电的细菌生物膜。

这项研究为对导致生物膜的机制的科学理解增加了新的层面。在过去20年左右建立的现有范式认为,当一个细菌感觉到一个表面时,该细胞开始产生c-di-GMP,这反过来又使细菌附着在表面上。事实上,生物膜细胞的c-di-GMP水平通常比经常移动的细菌细胞要高。

注重细菌从一代到另一代的沟通能力的生物膜研究是第一作者加州大学洛杉矶分校博士后研究员Calvin Lee与Wong和他们的队友在2018年的一份出版物中开创的。在目前的研究中,该团队阐明了细菌如何利用c-di-GMP信号来交流表面的存在。不同高度和不同频率的信号波可以由一个细胞传递给它的后代。

这些化学信号分别类似于AM无线电(调幅),它根据无线电波的振幅或高度对特定的信号进行编码,以及FM无线电(调频),它通过波在特定时间段内的振荡次数对信号进行编码。

利用通常用于大数据和人工智能的分析技术,研究人员确定了控制生物膜形成的三个重要因素:c-di-GMP的平均水平,c-di-GMP水平的振荡频率,以及生物膜形成的表面上的细胞运动程度。

现有的范式是一个输入产生一个输出,信号水平的增加导致生物膜的形成多种输入最终会导致同样的输出,而且细菌可以为它们的后代留下持久的信息。

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