铜绿假单胞菌在高分子界面上的运动、感知机制研究

Most of nosocomial infection is related the formation of biofilm, which makes the study and prevention of biofilms to become an important, health-related and multidisciplinary research direction. At the present stage, most of the anti-biofilm strategies are developed by preventing the attachment of bacteria at the initial stage or poisoning/killing bacteria on surface. However, bacteria have acquired some specific mechanisms to adapt different surface conditions so that none of our current strategies can prevent the biofilm formation over a long period. In this project, we propose a novel approach to resist the biofilm formation; namely, by utilizing the surface motilities of bacteria, we intend to find a way (physical and chemical conditions of a surface) that can lead to active detaching of bacteria from a surface. In particular, we will systematically study surface motilities and sensing of P. aeruginosa under different surface conditions by exploring and understanding 1) how bacterium can use their motilities to adapt various surface conditions encountered at different stages of the biofilm formation; and 2) how bacterium can sense different surface properties and quickly response to the surface change. Our research results will illustrate how surface properties are correlated to the sensing mechanism and motilities of bacteria, providing a theoretical guidance on the design, research and development of a new generation anti-bacteria and anti-biofilms materials.

认知与防治生物膜是有关人类健康的跨学科重要研究方向。目前，抗菌和抗生物膜材料的设计思路主要集中于阻止细菌在表面上的初始粘附或筛选高效的杀菌和抑菌材料两方面。但细菌自身存在着高效的环境适应机制，从而导致至今仍无长期有效的抗菌和抗生物膜表面材料面世。针对以上关键问题，我们在本项目中提出一个全新的思路：即利用细菌自身固有的运动模式，通过改变材料的表面性质来调控细菌在其上的运动，诱导细菌主动脱离表面，从而达到长期防治的效果。拟以铜绿假单胞菌为对象系统地研究其在具有不同粗糙度、粘弹性、拓扑结构、浸润性、带电性和化学组成的高分子表面上的运动和感知机制。阐明在生物膜形成的各阶段细菌是如何利用运动机制来适应表面的不同性质以及细菌是如何感知和响应表面性质等悬而未决的关键科学问题。预期将获得和掌握材料表面性质与细菌运动、感知机制内在关联的一般规律，并从理论上指导新一代抗菌和抗生物膜智能材料的设计和研发。

致病菌可在多种人体器官、组织表面形成生物膜（biofilm），如：肺、尿道、口腔、结膜、骨膜等。生物膜的形成将导致多种难以用抗生素治疗的急、慢性感染，从而严重威胁人类的健康。研究指出生物膜的发展过程（life cycle）主要包括：1）浮游的细菌在表面的初始粘附；2）初始粘附的细菌经过对表面的适应和表型转换变为牢固附着在表面的细菌；3）微菌落（microcolony）的形成、发展；4）生物膜的成熟；5） 成熟的生物膜从新放出浮游的细菌。对生物膜形成机制的深入理解和认知将帮助人们找到防治生物膜的新策略。在此大背景下，我们系统的研究了1）细菌是如何利用其表面运动，如蹭行运动 (twitching motility) 去实现对不同表面性质的适应？；2）在接触表面后是什么外部信号触发了细菌的表型转换(phenotype switch)? 我们运用基于显微镜的高通量、原位观测技术，在多种营养条件下对近万个铜绿假单胞菌在表面上的蹭行运动进行了追踪和量化。高通量的数据分析表明铜绿假单胞菌存在四种截然不同的蹭行方式，且细菌所偏好使用的蹭行方式强烈依赖于细菌所处环境的营养条件。通过一简单运动模型，即：将细菌使用分布在头尾两极上四型菌毛(type IV pili)的概率与蹭行运动关联，我们利用计算机模拟的方法完全重现了实验中所观察到的四种蹭行方式，从而阐明了细菌可通过调控菌毛使用概率的对称性来实现在表面截然不同的蹭行运动。后续实验中，我们还证明了铜绿假单胞菌是通过调控蛋白FimX在菌内的对称性实现对菌毛使用对称性的调控。进一步，我们还发现铜绿假单胞菌在贫瘠环境中，菌内FimX倾向在单级分布（不对称分布），从而导致细菌倾向于使用可令细菌在表面快速分散。我们还利用其他研究者开发的基于荧光共振能量转移 (FRET)的单分子荧光探针，在铜绿假单胞菌中实现了对单细胞(single cells)内环鸟苷二磷酸浓度的实时监测。我们的数据显示浮游的铜绿假单胞菌粘附在表面后，其胞内环鸟苷二磷酸浓的度经历了先平稳，再上升，再平稳的转变过程。我们还发现了环鸟苷二磷酸浓度的上升过程严格依赖与细菌在表面的密度。