科学家们表明，铜绿假单胞菌使用类似于无线电信号的化学信号进行交流，以帮助细胞连接在一起并形成群落。学分：珍妮丝·哈尼·卡尔/CDC

加州大学洛杉矶分校领导的研究可能对医学和可持续性研究产生影响。

细菌联合起来形成一个能够合作、竞争和复杂交流的有社会组织的社区的想法，乍一看可能像是科幻小说中的东西——或者只是简单粗暴。

但生物膜群落对人类健康有着重要的影响，从引起疾病到帮助消化。它们在一系列旨在保护环境和产生清洁能源的新兴技术中发挥着作用。

加州大学洛杉矶分校领导的新研究可以为科学家提供见解，帮助他们培养有用的微生物或从生物膜形成的表面清除危险的微生物——包括人体组织和器官。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上，描述了当生物膜形成时，细菌如何使用类似于无线电传输的化学信号与其后代进行交流。

研究人员表明，一种称为环状二鸟苷酸或 c-di-GMP 的信使分子的浓度水平会随着时间的推移和细菌的世代而以明确的模式增加和减少。研究发现，细菌细胞利用这些化学信号波为其后代编码有助于协调菌落形成的信息。

在这种现象中，给定细胞是否附着在表面上会受到这些振荡的特定形状的影响——就像信息存储在 AM 和 FM 无线电波中的方式一样。

“由于这些振荡协调了整个谱系的作用，大量细胞同时受到这些信号的控制，”通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院生物工程教授、化学与生物化学教授 Gerard Wong 说。加州大学洛杉矶分校学院和加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员。“这意味着我们可能有一个新的旋钮来控制或微调生物膜的形成，这就像细菌的大众传播一样。”

在某些情况下，阻止生物膜的形成可能会挽救生命，例如对抗囊性纤维化患者肺部内层的感染。

在其他情况下，增强培养生物膜的能力会有所帮助——例如，强化人体肠道中“好”细菌的菌落以帮助消化，或保护人们免受致病微生物的侵害。包括加州大学洛杉矶分校的几位科学家和工程师在内的科学家和工程师正在努力开发细菌生物膜，这种生物膜可以分解塑料、食用工业废物甚至在燃料电池中发电。

该研究为科学理解导致生物膜的机制增加了新的维度。在过去 20 年左右建立的当前范式认为，当细菌感知到表面时，该细胞开始产生 c-di-GMP，进而导致细菌附着在表面上。事实上，生物膜细胞的 c-di-GMP 水平通常高于经常移动的细菌细胞。

第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后研究员 Calvin Lee 与 Wong 及其队友在 2018 年的出版物中开创了生物膜研究，重点是细菌在一代人之间进行交流的能力。在目前的研究中，该团队阐明了细菌如何使用 c-di-GMP 信号来传达表面的存在：不同高度和不同频率的信号波可以由细胞传递给其后代。

这些化学信号分别类似于 AM 无线电 - 幅度调制，它根据无线电波的幅度或高度对给定信号进行编码 - 和 FM 无线电 - 频率调制，它根据信号中的振荡次数对信号进行编码在给定的时间段内波动。

通过大数据和人工智能中通常使用的分析技术，研究人员确定了控制生物膜形成的三个重要因素：c-di-GMP 的平均水平、c-di-GMP 水平的波动频率以及生物膜形成的程度。细胞在生物膜形成的表面上运动。

“现有的范例是一个输入产生一个输出，随着信号水平的增加导致生物膜形成，”李说。“我们建议多重输入最终会导致相同的输出，并且细菌可以为它们的后代留下持久的信息。你需要看更多的东西才能获得全貌。”

参考：“广播幅度和频率调制的 c-di-GMP 信号促进细菌谱系中的合作表面承诺”，作者 Calvin K. Lee、William C. Schmidt、Shanice S. Webster、Jonathan W. Chen、George A. O 'Toole 和 Gerard CL Wong，2022 年 1 月 25 日，美国国家科学院院刊。
DOI：10.1073/pnas.2112226119

该研究的其他合著者是加州大学洛杉矶分校的研究生 William Schmidt 和 Jonathan Chen，以及达特茅斯学院的研究生 Shanice Webster 和 George O'Toole 教授。

该研究得到了美国国立卫生研究院、陆军研究办公室和美国国家科学基金会的支持。