成像技术追踪单个细菌细胞离开生物膜群落的过程

卡内基梅隆大学开发的一种创新成像技术揭示了单个细菌细胞离开其生物膜群落。以高分辨率实时观察细菌提供了前所未有的视角，加深了对生物膜中单个细胞如何移动以及生物膜如何分散的理解。

发表在PLOS Biology上的研究结果为生物膜中病原体传播的机制提供了基本的见解。

大多数细菌一生中大部分时间都在被称为生物膜的多细胞群落中度过。生活在生物膜中使细菌能够集体获得营养并抵抗威胁，包括抗生素和氯化。据估计，高达70%的人类细菌感染是由形成生物膜的细菌引起的。

尽管生物膜附着在表面，但它不是静止的。许多类型的细菌，如霍乱弧菌形成的细菌，会经历一轮又一轮的生物膜形成和分解，使新游离的细菌得以漫游。

生物科学系助理教授Drew Bridges说：“能够进出生物膜对于细菌能够在生态位之间传播至关重要。它可能发生在某些环境位置之间，或者更相关的是，可能发生在宿主或感染部位之间。”。

生物膜的分解和扩散在疾病传播中起着关键作用，但用显微镜和相关成像技术研究这些过程是不可能的。直到现在。布里奇斯说：“没有人能够以我们能够达到的分辨率对生物膜扩散进行成像。”。“这是因为FAP标记技术。”

FAP是荧光激活蛋白的缩写，只有与荧光结合时才会发出荧光，否则荧光染料是不发光的。它们在不常用的可见光谱区域（远红色区域）发光。远红光通常对生物体毒性较小，更适合通过组织成像。

FAP是科学家在尝试对生物膜进行成像时面临的一个常见问题的理想解决方法。传统的荧光蛋白需要氧气才能发光。但在生物膜中，细菌非常密集，氧气变得稀缺，阻止了染料发光。布里奇斯说，在没有在生物膜中工作的探针的情况下进行良好的显微镜检查是一个挑战。

“这是一个我认为我们必须解决的问题。然后，当我到达卡内基梅隆大学时，我了解了FAP。它们是完美的替代品，因为它们的机制与其他荧光蛋白的工作方式非常不同。它们对氧气限制不敏感，”布里奇斯说。

2008年，卡内基梅隆大学开发了FAP。从那时起，CMU的研究人员和合作者发表了150多篇论文，开发了用于各种生物应用的FAP技术。这项研究标志着首次使用FAPs对生物膜进行成像。

Bridges实验室与项目科学家和FAP专家Robert van de Weerd密切合作，将FAP纳入霍乱弧菌的基因组。科学家们将孔雀石绿衍生的荧光剂添加到不断生长的细菌菌落中，这些菌落与FAP结合并发出远红色荧光。

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使用旋转圆盘共聚焦显微镜，研究小组追踪了霍乱弧菌生物膜中的细胞移动、分解和分散的过程。

实时单细胞成像显示，细菌开始从边缘扩散，这并不一定令人惊讶。布里奇斯感兴趣的是，他看到大约20-25%的细胞亚群留在后面，永远不会离开。他正在进一步调查，以确定它们的停留是否仅仅是因为被困住，或者是否还有其他原因。

成像还揭示了局部动态区域或扩散“热点”的发展，细胞在那里表现出巨大的向外位移。他们还观察到，生物膜外围的一些细胞没有离开，而是向生物膜核心压缩。布里奇斯的假设是，细胞本身是生物膜中的主要机械部件，当它们开始离开时，整个结构就会坍塌。

总体而言，Bridges说，这些发现表明了一种模型，在这种模型中，生物膜的某些区域变得更像流体，甚至可以从内部实现细胞的局部向外运动。同时，刚性更强的单元组会受到压缩，以填充新的未占用空间。

Bridges实验室正在研究这些机械性能的局部差异是如何在生物膜发育和扩散过程中形成的。他们还计划将FAP标记技术应用于其他臭名昭著的生物膜形成剂。p