【原】【LorMe周刊】生物膜基质-菌群进行多任务处理的共享空间

作者：张玺民，华中农业大学资源与环境学院硕士在读，主要研究土壤微生物种间相互作用。

本期周刊为您介绍生物膜基质综述，原文于2022年发表在《Nature Reviews Microbiology》上。

导读

生物膜基质可以看作是被其包裹微生物细胞的一个共享空间，其中充斥着各种各样的胞外聚合物 (EPS)，包括多糖、蛋白质、淀粉样物质、脂类和胞外DNA（eDNA），以及膜囊泡和类似腐殖质的难降解微生物衍生物。生物膜系统在物理、化学和生物相互作用以及环境作用下形成膜状、微菌落状和大菌落等各种形态的聚集体，共同响应生物膜群落面临的异质化环境条件。目前的分析方法只揭示了基质的横断面研究，无法跟踪群落中不同成员以及单个基质化合物的时间动态和相互作用。全面解读细菌如何为基质提供结构仍然是未来生物膜研究的挑战。这篇综述回顾了近十年来对生物膜基质的新认识，特别是EPS组分的多样性及其功能性相互作用的新进展。

主要内容

01 基质

生物膜基质的组分决定了基质的结构、功能、机械稳定性和动力学。基质中组分的许多化学信息取决于所使用的分离方法。除了用于EPS提取的缓冲液之外，物理和化学的分离技术在过去十年中没有太多改变。相比之下，近年来用显微镜分析基质成分的方法有长足的进步。当前，许多EPS组分都可以使用特定的荧光染料和探针进行原位成像（图1）。

图1 微生物生物膜的基质

注：对于不同类型的基质组分，分别采用不同的荧光探针进行成像。

02 基质的结构-多糖

历史上胞外多糖曾被认为是最主要的基质组分。不仅不同的微生物类群会产生不同的多糖，甚至单个菌株在生物膜发育的不同阶段，或者随着变化的环境条件产生多种多糖。基质多糖分泌后会进行修饰，包括长度的改变以及取代基的添加或去除。

03 纤维素

纤维素能够影响微生物生物膜的结构和形态。尽管细菌纤维素早在1886年就被发现，但直到最近它才被认定能够为微生物生物膜提供结构和保护：纤维素合成后，被磷酸乙醇胺（pEtN）取代基修饰，生成pEtN纤维素。pEtN纤维素进而与基质中的淀粉样纤维形成纳米复合材料，产生凝聚力和弹性。

04 蛋白质（酶）

蛋白质在基质中最重要的功能是酶促催化作用，具体来说：胞外酶的主要功能是将生物大分子降解为小分子，小到足以作为微生物代谢的碳和能源被细胞吸收。胞外酶可通过局部作用调节基质的结构动力学，促使基质发生理化性质变化。在自然生态系统中，由胞外酶介导的生物聚合物周转是有机物矿化的限速步骤。因为地球上的大多数微生物都生活在生物膜中，进而驱动着生物地球化学循环，所以这些酶成为了地球自我净化过程的瓶颈。

05 功能性淀粉蛋白

淀粉样蛋白是一种高度有序的、不溶于水的蛋白质，由多种氨基酸组成，通常都具有一个非常保守的交叉β链的四元结构。淀粉样蛋白不仅有助于维持机体的稳态，还可以稳定生物膜基质，有助于抵抗生物膜的机械、热和化学压力，此外，它们还参与细胞分裂、营养储存、表面张力调节、细胞周期调节、细胞间交流、粘附、絮凝、抗干燥、细胞毒性、毒力和逃避宿主免疫系统等多个方面。

06 亲水基质中的疏水区域

尽管高度水化，基质仍含有疏水区域。枯草芽孢杆菌分泌的生物膜表层蛋白A（BslA）能形成一层疏水膜，覆盖在生物膜表面，从而使其具有疏水性。有人认为，生物膜的疏水表面有助于防止细胞的侵蚀，同时有助于保持底层基质中的湿度，从而保护生物膜细胞免受水的压力。除疏水性蛋白外，单链eDNA和含脂化合物也能增强基质的疏水性。然而，人们目前对生物膜基质中的疏水结构域机理的理解仍然缺乏。

07 eDNA

eDNA的释放机制包括自溶、主动分泌以及通过囊泡释放。eDNA的起源似乎是基因组DNA，主要是与裂解相关。然而，eDNA的结构和组成与基因组DNA并不一致。eDNA的生物学功能包括：在初始粘附和生物膜形成的最初阶段作为“脚手架”，在基因水平转移和DNA损伤修复中的发挥作用，以及作为有机碳、氮和磷酸盐的来源。eDNA还为细菌提供一个基因库，细菌可以吸收eDNA，并通过自然转化与其发生同源DNA片段重组。此外，一些DNA-淀粉样蛋白组成的复合物能够调节细菌生物膜的机械抗性（如地衣芽孢杆菌）。

08 膜囊泡

膜囊泡是脂质双分子层组成的直径20 - 500 nm的球体，通常由细菌、古菌和真核生物膜囊释放。膜囊具有生理异质性，即同一物种细菌可释放不同类型的膜囊。外膜囊泡（OMVs）可来源于革兰氏阴性细菌的外膜。应激条件下，革兰阴性菌的OMVs影响细菌的存活，并调节革兰氏阴性菌群成员间的相互作用。革兰氏阳性菌也能脱落膜囊泡。例如噬菌体编码的内溶素在枯草杆菌细胞壁上产生孔洞，细胞质膜物质通过孔洞突出到胞外空间，并以膜囊的形式释放；膜囊释放后还可诱导邻近的革兰阴性菌形成OMVs。

09 腐殖质和难分解的化合物

腐殖质是土壤有机质的组成成分，它们以超分子缔合物的形式非特异性自组装，由各种各样的大分子组成。有研究表明，微生物负责生产此类长期稳定的化学成分和颗粒，这将促使难分解化合物和微生物衍生的腐殖质在生物膜基质中不断积累。

10 基质的成分及相互作用

基质可以被认为是一种持续互动的、自我调节的、共享的微生物生存空间。基质的结构、功能、机械稳定性和动力学是基于生物膜中细胞在其生命周期中产生的大量大分子和代谢物之间的各种相互作用（图2）。功能相互作用使基质与生物膜成为一个反馈系统，调节土著细胞的增殖、生理特性、生物膜内迁移和分化，这些功能相互作用产生了生物膜的许多涌现性特征。基质是一个受限的空间，固有的高浓度EPS分子强烈地促进了各种物理化学相互作用，这些相互作用导致了粘弹性，但在生物膜形成过程中形成了机械稳定和高度适应性的结构。

图2 胞外聚合物组分的相互作用及它们的功能

注：a）力学稳定性；b）转运和保护；c）基质的交联；d）ecotin（注：细菌生产的一种蛋白酶抑制剂）抑制蛋白酶的活性；e）持留和保护胞外酶；f）稳定eDNA晶格；g）促进电子传递；h）eDNA 和 离子作用促进基质稳定性；i）保护eDNA；j）将基质锚定到生物膜细胞表面；k）促进细胞团聚。

11 基质合成的调控

基质的形成、发育和维持受到多种物种特异性系统的调控，包括细胞水平的遗传控制和环境因素的作用。而且，基质成分的调控并不遵循单一机制，而是借助于不同微生物在遗传上所具有的多样化调控网络实现的。不过，它们具有一些共同的特点（图3）。此外，生物膜很少是均匀的，一般说来，充分发育的生物膜不仅是遗传程序调控细胞发育和分化的结果，也是生长和运输限制的结果。胞内和胞外信号对基质成分的控制是通过转录前、转录后以及环境因子共同作用实现的，通常按照控制路径依次执行，生产或调节与生物膜形成、维持、分散和分离有关的成分或因素。然而，多物种生物膜的调控以及生物膜生物如何在时空上相互影响一直是生物膜研究中的未解之谜。

图3 基质合成的调控。基因调控和环境因子共同塑造了基质的生产过程

12 生物膜构筑的研究方法

微生物生物膜的构筑是由多种因素决定的，主要驱动因素是水动力、基质、温度、养分限制和有效碳、氮、磷的比例，以及养分竞争和噬菌体的作用等。一般情况下，真正的构筑过程只有通过可视化水环境培养条件下的生物膜来揭示。激光扫描显微镜（共聚焦/单光子和多光子）发展成为完成这一任务的一种关键技术。最近，光学相干断层扫描（OCT）和选择性平面照明显微镜（SPIM）也被引入了进来。它们都展示了生物膜是如何变化和多样的，但在显微镜下描述它们的特征取决于所应用的可视化技术、放大倍数以及如何制备未受干扰的生物膜样品。此外，基于激光解吸的“纳米”技术应用于完全水合的生物膜可以提供关于EPS组分与微生物细胞之间的动力学和空间相互作用的信息。该方法虽然受到相关仪器的限制，但也可以促进对基质结构的新见解。

13 基质的力学性能

生物膜通常被认为是高度水合的水凝胶，它们的宏观流变特性是在分子水平上决定的。已报道的生物膜力学特性的一个关键特征是它们的粘弹性，即使在机械应力下弹性程度（生物膜伸展和回弹的程度）和粘度（生物膜流动的程度）在多个数量级上变化，哪怕对于单一物种的生物膜也是如此。有两个主要原因解释了这种可变性。第一，生物膜在很短的时间跨度（毫秒）内对不同的养分和水动力条件做出结构和机械反应，然后逐渐适应（几天到几周）。从原理上讲，基质的凝聚是基于四种非共价键（氢键、离子键、静电相互作用和疏水相互作用）的作用以及聚合物的缠结（图4）。第二，生物膜是非线性材料，被测的力学性能高度依赖于测试方法。

图4 生物膜基质的力学性能

总结与展望

在过去的十年里，无论是在自然环境还是医学领域，人们认识到了基质在生物膜生命模式中的关键作用。基质不仅是一团由多糖组成的黏液，而且为生物膜细胞提供了一个动态的、功能性的和保护性的共享空间。在分析基质的组分和精细结构方面，揭示了蛋白质、胞外酶、淀粉样蛋白、eDNA、水等在基质中的关键作用。然而，细胞对生物膜力学性能的影响，如何控制基质的生产和组成仍有待研究。

值得一提的是，当前关于EPS的大多数化学和功能信息都是从实验室模型中概括出来的。为了避免局限性，我们还需要分离出更多自然界生态系统特异性的细菌来研究它们的基质成分，尤其是研究较少的那些门类。另外，新一代DNA测序技术与其他组学工具相结合，是识别环境生物膜中基质特征组分的一种很有前景的方法。此外，在不同的生物膜系统中，各个EPS组分的功能是否相似仍不清楚。毕竟，基质经过数十亿年的进化，提高了极端环境条件下生活在生物膜细胞的生存几率。最后，原位表征方法需要进一步被重视。高分辨率成像、代谢组学的进展等将使我们对基质中各组分的结构、功能和调控越来越深入。

论文信息

原名：The biofilm matrix: multitasking in a shared space

译名：生物膜基质：在一个共享空间中同时进行多项任务

期刊：Nature Reviews Microbiology

DOI：10.1038/s41579-022-00791-0

发表时间：2022.09

通讯作者：Hans-Curt Flemming

通讯作者单位：新加坡南洋理工大学环境生命科学工程中心