研究生物成膜细菌在有机表面上的粘附倾向

东京工业大学研究人员最近的一项研究发现，形成生物膜的细菌大肠杆菌牢固地粘附在疏水和亲水性蛋白质吸附自组装单层(SAM)上，而对亲水性蛋白质抗性SAM则较弱。这些关于表面化学如何影响细菌细胞粘附以及生物膜形成的发现可以为生物医学和工业设备的抗细菌表面和抗生物污染涂层的开发提供信息。

细菌生物膜就像一把双刃剑。一方面，它们已被证明对水和土壤中有毒物质的发电和降解很有价值，但另一方面，当它们在饮用水管道、隐形眼镜和生物医学设备上形成时，它们会令人讨厌。为了形成生物膜，细菌细胞首先通过弱和可逆的键附着在材料表面。一旦这些键成熟，细胞就会释放聚合物物质，从而产生稳定且不可逆的生物膜。

解码不可逆生物膜形成背后的机制及其与表面化学的关系是解锁生物膜预防技术的关键。多年来，科学家们提出了各种技术来缩小细菌细胞倾向于粘附的表面类型。不幸的是，表面化学和表面形貌对生物膜形成的影响仍然模糊不清。

在这种背景下，由日本东京工业大学(Tokyo Tech)的Tomohiro Hayashi副教授领导的一组研究人员着手解决这一知识差距。在最近发表在ACS Applied Bio Materials上的一项突破中，该团队使用光学显微镜和一种称为“具有能量耗散(QCM-D)监测的石英晶体微量天平”的技术，研究了大肠杆菌在包含不同末端基团(即不同表面化学成分)的自组装单层(SAM)上的粘附机制。

Hayashi博士解释说：“我们选择QCM-D是因为它是一种超灵敏的设备，可以使用声波监测小至纳克的吸附质量。同样，选择了在原子扁平QCM传感器上功能的可调终端基团的SAM，因为它们可以帮助解开表面化学与底物形貌对细菌附着的影响。

研究表明，细菌附着在表面上不能完全用传统的质量载荷理论来解释。这是因为该理论没有解释由额外质量吸附到表面上引起的共振频率(f)的正负偏移，这显着影响了生物膜的形成。通过耦合谐振器模型考虑了这种复杂的行为，研究小组检查了QCM传感器振荡的f和耗能(D)的变化，并评估了它们对具有不同功能的SAM表面的细菌附着和粘弹性的影响。

显微镜图像以及QCM-D数据显示，大肠杆菌牢固地粘附在疏水性(甲基封端)和亲水性蛋白质吸附(胺和羧基封端)SAM上(图1a和b)，形成致密的细菌膜。相反，它弱附着在亲水性抗性蛋白质的SAMs上(图1c)，如寡核苷酸(乙二醇)和磺基甜菜碱，并形成稀疏和耗散的生物膜。

研究小组还观察到亲水性抗性蛋白质抗性SAMs的正f位移，这可能是由于大肠杆菌的细菌附属物不仅在启动与表面的接触和粘合中发挥作用，而且还在与表面建立弹性弹簧状连接方面发挥作用。此外，通过根据每个泛音处的不同声波穿透深度估计细菌细胞体与不同SAM表面的距离(图2)，他们提供了为什么细菌细胞强烈粘附在某些表面上而对其他表面较弱的解释。

这些有价值的见解可以帮助识别生物膜污染可能性较高的表面，并为抗污染表面铺平道路。“我们的研究可以作为确定哪些表面容易发生细菌污染以及设计预防策略(如抗细菌表面和抗菌涂层)的实用指南，”Hayashi博士总结道。