生物膜和生物膜形成菌的研究解析

2021-12-30文雨洁刘瑞鸽彭书锋

科学咨询 2021年37期

寇静文雨洁刘瑞鸽冯江彭书锋

（陕西中医药大学陕西咸阳 712046）

细菌生物膜是在一定环境下产生的，菌体通过附着在物体表面，释放一系列物质，形成了系统性的菌体群落。在我国生物领域、医学领域对细菌生物膜不断了解和分析之下，发现人体很多常见的顽固性疾病，与细菌生物膜有着直接关系，甚至成为了顽固性疾病无法根治的主要原因。之所以细菌生物膜是顽固性疾病的主因，是因为以细菌生物膜形式存在的细菌，对于抗生素、杀菌剂、恶劣环境破坏有着很强的防御机制，其抗查杀能力非常强。因为细菌生物膜内是一个系统性菌体群落，细菌生物膜内细菌在生理代谢时，对底物的降解存在抵抗能力。所以细菌生物膜在生物领域受到了极大重视，借助对细菌生物膜的研究，可以对医学领域治疗顽固性疾病带来福祉。此外，细菌生物膜也很容易在工业生产当中存在，所以深入分析细菌生物膜，也可以促进工业、环保等领域的发展进步，本文将针对生物膜以及生物膜形成菌进行详细分析。

一、细菌生物膜内涵概述

细菌生物膜形成的位置主要是在物体表面，构成的要素主要是菌体在物体表面黏连附着，并且在物体表面分泌黏性胞外聚合物，并且在物体表面进行生长，构建成一个系统性的细菌群落。细菌生物膜在生活当中随处可见，不仅可以在人体、动物体外构成，而且还可以在某些自然环境以及工业生产环境产生。结合细菌生物膜实际特质来看，一般的细菌生物膜都是附着在有活性、无活性物体表面当中，以生物膜的形式进行生长[1]。随着我国科学技术不断发展，借助激光共聚焦扫描显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜等设备，便可以观察到细菌生物膜的内部形态和结构。通过我国生物领域、医学领域对细菌生物膜的研究，发现细菌生物膜是一个系统性的菌体群落，具备连续的层状结构，而不是当做一个个体看待。细菌生物膜结构具备一定的复杂性，并且存在三维结构信息传递系统，是一个复杂性、系通过性菌落社会群体。

二、细菌生物膜生长形成阶段

生物膜形成，可以由纯菌直接构成，也可以由多种菌种构成。针对多种菌种构成的生物膜来说，因为菌种类型存在差别，所以不同菌种构成生物膜的时间、空间、生长顺序也存在差异，所以多菌种构成的生物膜，存在菌种交替演变的情况。通过生物学研究发现，对生物膜形成过程进行观察，了解到生物膜形成是一个多细胞结构的动态发展过程，在不同阶段下，生物膜发展存在差异。针对多菌种生物膜形成过程来看，主要存在以下几个过程，分别是“细菌起始粘附期、生物膜生长期、生物膜成熟期、生物膜散播期”等几个阶段，不同生长阶段下，生物膜细菌的生理特征存在差异。

（一）细菌起始粘附期

细菌起始粘附期是生物膜形成的第一阶段，也是最为基础的阶段。菌体通过黏连、粘附的形式，依附在生物体表面，在粘附的过程中，菌体一般都是通过浮游细菌形式存在的，当粘附成功之后，启动物体表面生物膜生成。单个附着的细胞仅由少量胞外聚合物包裹，但是实际上这些附着的细菌还并未进入到生物膜的形成过程当中。多种以浮游状态生存和运动的菌体可以进入到生物膜生成过程中，也可以脱离物体表面粘附的状态，此时因为菌体还并未进入到生物膜生成阶段，所以浮游形式存在的菌体具备自由性、可逆性。

（二）生物膜生长期

生物膜生长期是菌体在物体表面粘附之后，通过调整其基因表达的方式，进行生长繁殖。在生物膜生长时期，菌体会在生长繁殖的过程中，分泌大量胞外聚合物，借助此种形式来加强对物体表面的粘附。在生物膜生长时期，菌体对于物体粘附力度极强，粘附力度是牢不可破、不可逆的，进入生物膜生长阶段的菌体，则无法再回到浮游菌体状态[2]。生物膜生成阶段，胞外聚合物可粘结单个细菌并且形成细菌结块，构建成微菌落。在此基础上，大量细菌不断堆积，促使生物膜加厚。

（三）生物膜成熟期

生物膜成长期，细菌生物膜形态逐渐生成，在菌体之间交互、合并、重组之后，细菌生物膜以不可逆的阶段进入成熟期。成熟期之后生物膜构建成了具有高度的组织结构，生物学家借助激光聚焦显微镜，观察到成熟生物膜的结构均具有不均匀性，其形状类似蘑菇状或者堆积状。在细菌生物膜成熟阶段，细菌生物膜当中存在微小的菌落，这些菌落之间围绕着输水通道，借助这些输水通道来相互运送养料、酶、代谢产物，并且借助这些输送通道来排泄废物。借助对成熟期细菌生物膜的内部观察，可以发现成熟期的细菌生物膜内部结构宛若原始状态的循环系统。

（四）生物膜散播期

生物膜散播期是细菌生物膜形成发展的最后阶段，所谓的生物膜散播期，便是在这个阶段，细菌可以从生物膜或者物体表面载体当中释放输出[3]。已经生长成熟的细菌生物膜，借助蔓延、部分脱落等形式，释放出细菌，以浮游菌体的形式进行扩散。菌体在细菌生物膜扩散之下，从细菌生物膜当中释放出来，以浮游菌体的形式存在并且进行更大范围的扩散，通过粘附、生长、成熟，成为新的细菌生物膜。生物研究人员通过双向凝胶蛋白电泳图谱对扩散出来的浮游菌体、成熟细菌生物膜当中的细菌进行比较，发现离散细菌更加像浮游细胞，这也印证了细菌生物膜发展是一个不断扩散、不断循环的过程中，生物膜具备散播性。

三、细菌细胞在细菌生物膜形成当中的作用

在我国生物学领域、医学领域对细菌生物膜深入研究下，对细菌生物膜的形成机制、了解认识取得了进一步的进展[4]。当前我国生物学、医学领域已经明确细菌生物膜形成，除了与生物膜必备养料、水动力有关之外，还与细菌生物膜形成的菌体有关。我国医学生物领域，详细对细菌生物膜形成的细菌进行了等条件致病菌研究，并从基因水平层次上，对细菌的鞭毛、纤毛、胞外聚合物、群体感应信号分析等相关细菌细胞因子进行详细分析，构建出了细菌细胞与细菌生物膜形成相关的研究内容。

（一）鞭毛、纤毛

通过分析和研究，发现细菌细胞鞭，在固体环境下的运用能力以及所具备的粘附能力，与细菌生物膜最初形成状态有关[5]。在对细菌细胞研究之前，了解鞭毛参与了生物膜形成的过程，但是对于鞭毛在一些细菌细胞当中存在的功能并不完全明确。近年来，我国医学领域意识到了细菌生物膜对于顽固性疾病的影响，通过对瘫痪病人的研究，发现造成运动能力丧失的细菌运动过程中，存在细菌基因突变菌株，并且针对该细菌细胞鞭毛与细菌生物膜生成关系进行进一步分析研究，揭示了鞭毛在细菌生物膜生成当中所起到的作用。例如，通过对周生鞭毛运动进行分析研究，对编码鞭毛蛋白基因进行插入突变、对细菌细胞鞭毛进行调控基因插入突变，有效抑制了鞭毛的形成，从而造成细菌细胞鞭毛丧失了运动能力。在此种情况之下，野生型菌株相比鞭毛缺失、鞭毛瘫痪情况下的细菌来说，更加迅速的生成细菌生物膜，而鞭毛破坏、鞭毛缺失的细菌细胞，则无法生成细菌生物膜[6]。所以，细菌细胞鞭毛，在细菌生物膜形成过程当中起到了重要的作用，若细菌细胞鞭毛遭受到破坏，那么直接导致细菌生物膜无法生成。

（二）胞外聚合物

菌体想要生长成细菌生物膜，最不可或缺的物质便是胞外聚合物，细菌生物膜当中，胞外聚合物的数量比例较多。针对胞外聚合物来说，将其进行拆解分析，是由多糖、蛋白质、核酸等诸多物质构成的，胞外聚合物作为生物膜的主要部分，对细菌生物膜有着直接影响[7]。在细菌生物膜形成生长的过程中，细菌细胞在与外界物体进行粘附之后，胞外聚合物直接参与了细菌细胞与物体粘附的过程中，细菌细胞是借助胞外聚合物来构建成细菌细胞不可逆状态，胞外聚合物的生产量与细菌生物膜结构有着直接关系。著名生物学家Davies等人发现P.aeruginosa的黏液状菌株与非黏液状菌株相比，可构建成更加多样化、复杂化的细菌生物膜。O-乙酰化藻盐酸是P.aeruginosa的黏液胞外多糖的主要成分，是形成生物膜结构不可或缺的重要物质。P.aeruginosa野生型非黏液菌株在正常情况下可以生成平坦状态的细菌生物膜，但是藻盐酸过度表达生成的细菌生物膜则是蘑菇状，其中充满了独立分隔的水道，造成不同菌落之间物质传输的孤岛，对细菌生物膜成熟、扩散带来了一定程度上的阻碍[8]。生物学研究者Paul等人通过研究发现，胞外聚合物瓦解会降低细菌生物膜形成的复杂性，提升细菌生物膜对抗生素等细菌查杀药品的敏感性，对细菌生物膜的稳定性带来一定程度的影响。

（三）群体感应信号分子

细菌生物膜在成熟之后，内部具备系统化、复杂性，并且存在三维结构信息传递系统，是一个复杂性、系通过性菌落社会群体。在细菌生物膜构建的过程中，从浮游状态菌体，到组织化清晰的动态化菌落，细菌群体感应机制在细菌生物膜当中起到了非常重要的作用[9]。针对医学领域来说，一些顽固性疾病之所以存在，主要的原因是细菌生物膜当中存在群体感性系统，可以降低抗生素等药物对细菌的查杀效率，所以细菌生物膜难以破坏。群体感应系统是细菌结合细胞密度变化进行的基因表达调控行为，具备群体感应的细菌生物膜，能够释放出自体诱导物信号分子，这种信号分子会随着细胞密度的增加而增加，若信号分析累积到一定阈值，那么便可以调控蛋白结合，从而启动细菌中特定的基因表达。客观来说，群体感应系统的机能，是随着细菌生物膜当中细菌细胞密度的增加而增加的。在群体感应机能的引领下，细菌细胞可以与周围环境进行信息交流，从而改变细菌细胞的活跃程度、生理活动性，并且调换细菌细胞的生存模式。通过对体外细菌生物膜进行研究发现，细菌生物膜当中群体感应系统健全的细菌细胞，可以形成典型、高效的对抗杀菌剂能力，在细菌细胞外形成抵抗杀菌剂的生物膜[10]。但是群体感应系统不健全、出现破坏现象的细菌生物膜，则无法感应杀菌剂，无法在细菌细胞外形成抗细菌查杀的生物膜，很容易被冲洗掉、对杀菌剂敏感，造成细菌生物膜破坏。但是如果在群体感应系统破坏的细菌生物膜当中添加AHL分子，那么细菌会快速的重新恢复到成熟的细菌生物膜状态。