用彼此聽得懂的語言交談溝通，能讓人們達成共識一致行動，在微生物界也是如此。最近，美國德州農(nóng)工大學研究人員掌握了一種細胞之間的“交談”方式，不僅能精確控制細菌產(chǎn)出化學產(chǎn)品，也能更有效地控制生物膜的形成和解體。這一發(fā)現(xiàn)在醫(yī)療、衛(wèi)生和工業(yè)領域都有著巨大的應用價值，尤其使生物反應器技術向前邁進了一大步。研究論文發(fā)表在近日的《自然·通訊》網(wǎng)站上。

    破解細菌生物膜

    細菌在大多數(shù)時候并非以單個游離狀態(tài)存在，而是聚集粘結(jié)在一起，形成團塊。細菌本身只占不到1/3的體積，余下空間由細菌分泌的一種黏性物質(zhì)占據(jù)。科學家們將這種黏性物質(zhì)以及被其黏結(jié)而成的細菌團塊稱為“生物膜”。

    生物膜能保護細菌對抗外來危險，比如增強它們耐受抗生素的能力，但也是出了名地難分解。生物膜能生長在各種生物和非生物的表面，包括水下巖石、食物、牙齒（形成牙菌斑）、醫(yī)用生物移植材料（如膝蓋和髖關節(jié)等）。細菌生物膜會引起尿道炎、前列腺炎、腎結(jié)石、齲齒等多種疾病，往往還會反復發(fā)作，極難徹底治愈。

    領導這項研究的是美國德州農(nóng)工大學化學工程系教授托馬斯·伍德和阿魯爾·杰亞拉曼等人。他們利用細菌之間發(fā)送和接收的特殊信號來引發(fā)生物膜的形成與分解。他們把一段取自綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）的基因插入到埃希氏菌（E. coli bacteria）中，使這些埃希氏菌能持續(xù)不斷地發(fā)出一種化學信號。正常情況下，埃希氏菌是不能制造這種信號的。他們還在埃希氏菌中插入了接收機制和一種開關，讓這種信號能持續(xù)不斷地廣播。

    然后他們把轉(zhuǎn)基因細菌插入到環(huán)境中的生物膜里，這些已有的生物膜也被改造得能接受這種化學信號。伍德解釋說，一旦接受這種信號，其中的細菌就會打破生物膜離開該處環(huán)境，從而有效破解這些生物膜。

    “以前還從未有研究小組發(fā)現(xiàn)過一種蛋白質(zhì)能破解生物膜，并將它們用在合成路線中。我們利用了細胞間的‘交談’信號，對生物膜的控制達到了前所未及的程度。”伍德說。

    盡管生物膜會給健康帶來嚴重威脅，但在工業(yè)中卻非常有用，比如制造替代燃料。伍德解釋說，生物膜堅固的特性讓它們成為制作生物反應器的理想材料，生物膜反應器可用來生產(chǎn)多種化學產(chǎn)品，如丙醇和丁醇。由于膜內(nèi)細菌以葡萄糖為食，還能潛在地幫助改變生態(tài)。

    讓細菌工廠代替化工廠

    “我們的最終目標，是用細菌造出化工廠里能造出來的所有產(chǎn)品。”伍德說，“要實現(xiàn)這一目標，未來的反應器是一種生物膜反應器。一旦有什么意外情況，比如操作反應器的人突然咳嗽起來，也不會造成太大影響。當pH值降低時，生物膜仍能保持堅固，細胞也不會死。如果細胞不在生物膜內(nèi)而是獨立生長，反應器內(nèi)一有什么變化，你就可能失去所有的細胞和它們的產(chǎn)品。”

    但要想把這種技術落實到實際應用中，必須能控制多種與膜有關的變量：反應器中能生長多少膜？需要多長時間？不同生物膜的比例是多少？

    “我們開發(fā)出一種新的生物膜反應器的縮微模型，能精確控制哪種細菌正在擴張，處在什么時期，以及它們在生長過程中放出了哪種信號。”杰亞拉曼解釋說，“除了能控制反應器，這種技術還讓我們能以一種高流量的方式研究一些實驗條件，這對優(yōu)化生物反應過程非常重要。”研究人員能操控細菌以更高密度生長，或者按某種特殊比例來培養(yǎng)它們。通過控制生物膜的形成和破解，還能讓反應器在限定時間內(nèi)，從生產(chǎn)一種產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)另一種，實現(xiàn)有效準確地生產(chǎn)、加工和提純，持續(xù)不斷地造出合乎要求的化學產(chǎn)品。

    “下一步，我們想培養(yǎng)一個由不同菌群組成的“聯(lián)盟菌團”，生產(chǎn)復雜的化學產(chǎn)品。由其中一種菌群造出它的第一部分，另一種菌群造出它的第二部分，兩個菌群可以同時制造不可分開的兩種成分。要實現(xiàn)這一目標，菌群必須按照合適的比例組合，至今還沒有人能做到這一點。但現(xiàn)在利用我們的發(fā)現(xiàn)，就能夢想成真。”伍德說。

杰亞拉曼還指出，這些技術還能用于更多方面，如藥物發(fā)現(xiàn)、配制和藥物遞送等，還可模擬人體環(huán)境。比如人們吃下任何藥物，都要通過體內(nèi)的微生物群落才能到達標靶，現(xiàn)在用這種模型，可以反過來按照預定目標和清除藥物分子的能力，評價這種聯(lián)盟菌團的效果。