銅綠假單胞菌蹭行運(yùn)動和表面感知機(jī)制的研究.pdf

1、致病菌可在多種人體器官、組織表面形成生物膜(biofilm)，如:肺、尿道、口腔、結(jié)膜、骨膜等。生物膜的形成將導(dǎo)致多種難以用抗生素治療的急、慢性感染，從而嚴(yán)重威脅人類的健康。研究指出生物膜的發(fā)展過程(life cycle)主要包括:1）浮游的細(xì)菌在表面的初始粘附;2）初始粘附的細(xì)菌經(jīng)過對表面的適應(yīng)和表型轉(zhuǎn)換變?yōu)槔喂谈街诒砻娴募?xì)菌;3）微菌落(microcolony)的形成、發(fā)展;4）生物膜的成熟;5）成熟的生物膜從新放出浮游的細(xì)菌。對

2、生物膜形成機(jī)制的深入理解和認(rèn)知將幫助人們找到防治生物膜的新策略。在此大背景下，我們系統(tǒng)的研究了兩個(gè)在生物膜形成的初期過程中發(fā)揮著重要作用的主題，其中包括:1）細(xì)菌是如何利用蹭行運(yùn)動(twitching motility)實(shí)現(xiàn)表面適應(yīng)的;2）在接觸表面后是什么外部信號觸發(fā)了細(xì)菌的表型轉(zhuǎn)換(phenotype switch)。
　　主題1:
　　前期的研究指出成熟生物膜的空間結(jié)構(gòu)在一定程度上取決于生物膜形成初期過程中細(xì)菌在表面上

3、的蹭行運(yùn)動，例如:研究發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵營養(yǎng)元素鐵的缺失將促進(jìn)銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)在表面上的蹭行，導(dǎo)致細(xì)菌在表面上過度的分散令微菌落無法進(jìn)一步形成，恢復(fù)鐵元素的供給可抑制過度的蹭行令微菌落重新形成。前期的研究雖明確指出生物膜的形成過程依賴于蹭行運(yùn)動的方式，但細(xì)菌是如何通過對個(gè)體蹭行運(yùn)動的調(diào)控而實(shí)現(xiàn)對生物膜形成過程的調(diào)控，該內(nèi)在機(jī)制至今仍不明晰。針對以上問題，我們運(yùn)用基于顯微鏡的高通量、原位觀測技術(shù)，在多種營

4、養(yǎng)條件下對近萬個(gè)銅綠假單胞菌在表面上的蹭行運(yùn)動進(jìn)行了追蹤和量化。高通量的數(shù)據(jù)分析表明銅綠假單胞菌存在四種截然不同的蹭行方式，且細(xì)菌所偏好使用的蹭行方式強(qiáng)烈依賴于細(xì)菌所處環(huán)境的營養(yǎng)條件。通過一簡單運(yùn)動模型，即:將細(xì)菌使用分布在頭尾兩極上四型菌毛(typeⅣ pili)的概率與蹭行運(yùn)動關(guān)聯(lián)，我們利用計(jì)算機(jī)模擬的方法完全重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中所觀察到的四種蹭行方式，從而闡明了細(xì)菌可通過調(diào)控菌毛使用概率的對稱性來實(shí)現(xiàn)在表面截然不同的蹭行運(yùn)動。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，

5、我們還證明了銅綠假單胞菌是通過調(diào)控蛋白FimX在菌內(nèi)的對稱性實(shí)現(xiàn)對菌毛使用對稱性的調(diào)控。進(jìn)一步，我們還發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌在貧瘠環(huán)境中，菌內(nèi)FimX傾向在單級分布（不對稱分布），從而導(dǎo)致細(xì)菌傾向于使用可令細(xì)菌在表面快速分散的蹭行方式;而在養(yǎng)料充足的環(huán)境下，菌內(nèi)FimX則傾向在雙級分布（對稱分布）或者不表達(dá)，從而導(dǎo)致細(xì)菌傾向于使用可令細(xì)菌停駐的蹭行方式。這一發(fā)現(xiàn)揭示了銅綠假單胞菌可通過調(diào)控其兩極上菌毛使用的對稱性完成對多種不同環(huán)境的適應(yīng)，采用

6、不同蹭行方式可幫助細(xì)菌選擇在適當(dāng)?shù)臈l件下形成生物膜。以上策略極大地增強(qiáng)了銅綠假單胞菌在自然界中的生存競爭能力。
　　主題2:
　　是什么因素觸發(fā)了初始粘附在表面的細(xì)菌從傾向運(yùn)動的浮游表型變?yōu)閮A向停駐、粘附的表型？這一關(guān)系到生物膜是否可形成的關(guān)鍵科學(xué)問題至今尚無明確答案，研究者對這一因素提出眾多不同猜想，如:通過鞭毛或者菌毛的機(jī)械感應(yīng)表面去觸發(fā)該表型轉(zhuǎn)變，或存在特點(diǎn)胞外感應(yīng)蛋白、信號分子等猜想。研究表明:在該表型轉(zhuǎn)換前后，菌內(nèi)

7、的第二信使分子(second messenger)環(huán)鳥苷二磷酸(c-di-GMP)的濃度分別處于低或高兩種不同狀態(tài)。我們利用其他研究者開發(fā)的基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)的單分子熒光探針，在銅綠假單胞菌中實(shí)現(xiàn)了對單細(xì)胞(single cells)內(nèi)環(huán)鳥苷二磷酸濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。我們的數(shù)據(jù)顯示浮游的銅綠假單胞菌粘附在表面后，其胞內(nèi)環(huán)鳥苷二磷酸濃的度經(jīng)歷了先平穩(wěn)，再上升，再平穩(wěn)的轉(zhuǎn)變過程。我們還發(fā)現(xiàn)了環(huán)鳥苷二磷酸濃度的上升過程嚴(yán)格依賴于細(xì)菌