2020-03-23 22:09:02
机械力影响细菌生物膜的困惑模式

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由于粘糊状的特性,被称为生物膜的细菌黏附斑块在生长时通常会形成复杂的,像星暴般的图案。现在,普林斯顿大学的研究人员结合了分子生物学,机械工程和数学建模方面的专业知识,以揭示这些奇怪的皱纹背后的物理过程。

共同作者内德·温格林(Ned Wingreen)是生命科学领域的霍华德·A(Howard A.)先任教授,分子生物学教授以及路易斯·西格勒综合基因组学研究所(Lewis-Sigler Integrative Genomics Institute)的合著者内德·温格林(Ned Wingreen)表示:“在某一点上,会出现图案:条纹,锯齿形和环形”。 “这一直是我一直感到困惑的事情之一。”

这项研究于3月19日发表在《美国国家科学院院刊》上,该研究有助于阐明细菌如何在多种环境中生长,并且还可以帮助研究控制人体组织生长和变形的物理力。

Wingreen说:“从机械的角度来看,这增加了很多工作,表明我们所看到的是物理定律的淘汰。” “这将帮助我们了解其中的某些模式在多大程度上影响生物膜特性,这在生物学和医学上都很重要。”

这项工作是四位研究人员从多个角度研究生物膜的合作中的最新成果。与Wingreen一起,该团队还包括机械和航空航天工程学助理教授AndrejKošmrlj;霍华德·斯通(Howard Stone),唐纳德·R·迪克森(Donald R. Dixon'69)和伊丽莎白·W·迪克森(Elizabeth W. Dixon)机械与航空航天工程教授;以及Squibb分子生物学教授Bonnie Bassler。他们先前共同努力开发了一种从表面剥离生物膜的方法。

在这项研究中,研究人员分析了霍乱弧菌细菌的生物膜形成,该细菌膜广泛存在于水环境中,如果被人摄入,可能引起霍乱病。在柔软的基材上,生物膜最初以平坦层的形式生长,但随后变得褶皱,呈峰和谷的放射状和锯齿状。研究表明,这些模式取决于生物膜底物的相对柔软度或刚度,研究人员通过改变琼脂的浓度来进行操作,琼脂是一种通常用于填充培养皿的海藻衍生物质。

在较软的基材上,皱纹开始在生物膜的边缘形成并向其中心扩散,而在较硬的基材上,皱纹首先出现在中心并向外扩散。在这两种情况下,生物膜最终在其中心都呈锯齿状的皱纹图案,并在其外边缘处呈现出更加有序的放射状条纹图案。

这一过程是由一系列影响因素驱动的,包括每种细菌从基质中吸收养分,这会导致生物膜中心营养物质耗尽而导致生长不均。细菌在生长时会产生新的细胞外基质成分,并且还会产生使细菌相互粘附并粘附于底物的分子。

“这是一个非常复杂的过程,涉及到生长和力学,”刘易斯-西格勒研究所的研究生陈逸飞说。 “要理解它,我们建立了所谓的化学机械模型。我们考虑了营养物质和生物膜的不均匀生长,以及这些特征如何转化为累积的机械力或应力。”

该模型使研究人员能够预测生物膜的哪些区域在特定时间点将承受最大压力,从而预测皱纹的形成位置。 Fei说,这些预测与实际生物膜的三维形状的实验测量结果非常吻合,费恩说,他的研究生工作是由Wingreen和Bassler共同建议的。

Košmrlj说:“ Chenyi巧妙地集成了许多通常单独研究的不同机制。”

该模型的一个关键方面是采用了经典的机械不稳定性工程分析方法,该方法先前已应用于诸如极端温度下铁轨弯曲的问题。相似类型的不稳定性会导致诸如生物膜的柔软材料形成皱纹。

合著者,曾任普林斯顿大学博士后研究员,现为北京大学助理教授的盛茂说:“在上个世纪,人们一直在研究机械不稳定性,重点是试图防止结构的失效机制。” “但是,在新的研究浪潮中,我们正在尝试利用这些机械不稳定性来制造用于各种目的的可调结构,例如正在开发软材料以通过组织工程来治疗损伤和疾病。”

除了进一步了解生长中的细胞如何与软质底物相互作用的知识外,研究人员还计划在其发现的基础上进一步研究细菌的生命周期,包括某些细菌细胞从生物膜上脱离,离开结构并在新菌落中扩散的扩散阶段。地区。

温格林说,诸如霍乱弧菌的细菌是机会主义者。 “他们进来,占领一些领土,扩张,吃尽一切,然后离开。但是,对分散的最后一个方面的研究不足,而分散的物理和力学将提出一些有趣的挑战。”

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