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研究發(fā)現(xiàn):細(xì)菌會使用無線電波化學(xué)信號進(jìn)行交流

癌癥藥物在治療新生兒畸形方向有所進(jìn)展

銅綠假單胞菌

科學(xué)家們表明,銅綠假單胞菌使用類似于無線電信號的化學(xué)信號進(jìn)行交流,以幫助細(xì)胞連接在一起并形成群落。作者:珍妮絲·哈尼·卡爾/CDC

加州大學(xué)洛杉磯分校領(lǐng)導(dǎo)的研究可能對醫(yī)學(xué)和可持續(xù)性研究產(chǎn)生影響。

細(xì)菌聯(lián)合起來形成一個能夠合作、競爭和復(fù)雜交流的有社會組織的社區(qū)的想法,乍一看可能像是科幻小說中的東西——或者只是簡單粗暴。

但生物膜群落對人類健康有著重要的影響,從引起疾病到幫助消化。它們在一系列旨在保護(hù)環(huán)境和產(chǎn)生清潔能源的新興技術(shù)中發(fā)揮著作用。

加州大學(xué)洛杉磯分校領(lǐng)導(dǎo)的新研究可以為科學(xué)家提供見解,幫助他們培養(yǎng)有用的微生物或從生物膜形成的表面清除危險的微生物——包括人體組織和器官。該研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上,描述了當(dāng)生物膜形成時,細(xì)菌如何使用類似于無線電傳輸?shù)幕瘜W(xué)信號與其后代進(jìn)行交流。

研究人員表明,一種稱為環(huán)狀二鳥苷酸或 c-di-GMP 的信使分子的濃度水平可以隨著時間的推移和細(xì)菌的世代而以明確的模式增加和減少。研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌細(xì)胞利用這些化學(xué)信號波為其后代編碼有助于協(xié)調(diào)菌落形成的信息。

在這種現(xiàn)象中,給定細(xì)胞是否附著在表面上會受到這些振蕩的特定形狀的影響——就像信息存儲在 AM 和 FM 無線電波中的方式一樣。

“由于這些振蕩協(xié)調(diào)了整個譜系的作用,大量細(xì)胞同時受到這些信號的控制,”通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆利工程學(xué)院生物工程教授、化學(xué)與生物化學(xué)教授 Gerard Wong 說。加州大學(xué)洛杉磯分校學(xué)院和加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究所的成員。“這意味著我們可能有一個新的旋鈕來控制或微調(diào)生物膜的形成,這就像細(xì)菌的大眾傳播一樣。”

研究級正置熒光顯微鏡FR-50A

研究級正置熒光顯微鏡FR-50A

在某些情況下,阻止生物膜的形成可能會挽救生命,例如對抗囊性纖維化患者肺部內(nèi)層的感染。

在其他情況下,增強(qiáng)培養(yǎng)生物膜的能力會有所幫助——例如,加強(qiáng)人體腸道中“好”細(xì)菌的菌落以幫助消化,或保護(hù)人們??免受致病微生物的侵害。包括加州大學(xué)洛杉磯分校的幾位科學(xué)家和工程師在內(nèi)的科學(xué)家和工程師正在努力開發(fā)細(xì)菌生物膜,這種生物膜可以分解塑料、食用工業(yè)廢物甚至在燃料電池中發(fā)電。

該研究為科學(xué)理解導(dǎo)致生物膜的機(jī)制增加了新的維度。在過去 20 年左右建立的當(dāng)前范式認(rèn)為,當(dāng)細(xì)菌感知到表面時,該細(xì)胞開始產(chǎn)生 c-di-GMP,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)菌附著在表面上。事實上,生物膜細(xì)胞的 c-di-GMP 水平通常高于經(jīng)常移動的細(xì)菌細(xì)胞。

第一作者、加州大學(xué)洛杉磯分校博士后研究員 Calvin Lee 與 Wong 及其隊友在 2018 年的出版物中開創(chuàng)了生物膜研究,重點是細(xì)菌在一代人之間進(jìn)行交流的能力。在目前的研究中,該團(tuán)隊闡明了細(xì)菌如何使用 c-di-GMP 信號來傳達(dá)表面的存在:不同高度和不同頻率的信號波可以由細(xì)胞傳遞給其后代。

這些化學(xué)信號分別類似于 AM 無線電 - 幅度調(diào)制,它根據(jù)無線電波的幅度或高度對給定信號進(jìn)行編碼 - 和 FM 無線電 - 頻率調(diào)制,它根據(jù)信號中的振蕩次數(shù)對信號進(jìn)行編碼在給定的時間段內(nèi)波動。

通過大數(shù)據(jù)和人工智能中通常使用的分析技術(shù),研究人員確定了控制生物膜形成的三個重要因素:c-di-GMP 的平均水平、c-di-GMP 水平的波動頻率以及生物膜形成的程度。細(xì)胞在生物膜形成的表面上運動。

“現(xiàn)有的范例是一個輸入產(chǎn)生一個輸出,隨著信號水平的增加導(dǎo)致生物膜形成,”李說。“我們建議多重輸入最終會導(dǎo)致相同的輸出,并且細(xì)菌可以為它們的后代留下持久的信息。你需要看更多的東西才能獲得全貌。”

參考文獻(xiàn):

Calvin K. Lee、William C. Schmidt、Shanice S. Webster、Jonathan W. Chen、George A. O 的“調(diào)幅和調(diào)頻 c-di-GMP 信號的廣播促進(jìn)細(xì)菌譜系中的合作表面承諾” 'Toole 和 Gerard CL Wong,2022 年 1 月 25 日,美國國家科學(xué)院院刊
DOI:10.1073/pnas.2112226119

該研究的其他合著者是加州大學(xué)洛杉磯分校的研究生 William Schmidt 和 Jonathan Chen,以及達(dá)特茅斯學(xué)院的研究生 Shanice Webster 和 George O'Toole 教授。

該研究得到了美國國立衛(wèi)生研究院、陸軍研究辦公室和美國國家科學(xué)基金會的支持。

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