1881年，愛(ài)麗絲·C·埃文斯出生于賓夕法尼亞州的一個(gè)農(nóng)場(chǎng)。她一生致力于研究乳制品中的細(xì)菌。在職業(yè)生涯早期，愛(ài)麗絲確信大多數(shù)細(xì)菌在其生命周期中表現(xiàn)出多細(xì)胞行為。彼時(shí)，細(xì)菌生命周期中觀察到的形態(tài)變化使科學(xué)家們感到困惑。1928年，作為美國(guó)微生物學(xué)會(huì)的首位女性會(huì)長(zhǎng)，愛(ài)麗絲致信科學(xué)界：“當(dāng)單細(xì)胞生物成群生長(zhǎng)時(shí)……個(gè)體細(xì)胞相互影響和保護(hù)?！彼又f(shuō)：“細(xì)菌學(xué)家無(wú)需感到羞愧……承認(rèn)他們認(rèn)為是不同屬的形式其實(shí)是同一種物種生命周期中的不同階段?！苯?00年后，秦等人實(shí)現(xiàn)了解讀生物膜中細(xì)胞動(dòng)力學(xué)的重大突破。生物膜是通過(guò)分泌基質(zhì)成分粘附在表面和彼此上的微生物群體。在此期間，微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多細(xì)菌會(huì)組織成群體。這使得細(xì)菌細(xì)胞能夠集體實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，從而為個(gè)體帶來(lái)選擇優(yōu)勢(shì)。多細(xì)胞行為幫助細(xì)胞遷移、抵抗抗生素治療和保護(hù)自己免受捕食者的侵害。近年來(lái)，微生物學(xué)家通過(guò)研究單細(xì)胞基因表達(dá)、增長(zhǎng)速率調(diào)控和細(xì)胞間相互作用，以及開(kāi)發(fā)工具研究整個(gè)細(xì)菌生物膜的形態(tài)和生長(zhǎng)，開(kāi)始解開(kāi)這些多細(xì)胞行為背后的機(jī)制。
一個(gè)多細(xì)胞聚集體始于單個(gè)創(chuàng)始細(xì)胞，最終發(fā)展成成熟的生物膜。盡管取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，科學(xué)家仍缺乏對(duì)細(xì)菌細(xì)胞如何編程以構(gòu)建多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的詳細(xì)理解。每個(gè)細(xì)胞都會(huì)根據(jù)其局部環(huán)境做出分裂、移動(dòng)、分泌化學(xué)物質(zhì)、施加力量或表達(dá)細(xì)胞外基質(zhì)成分等個(gè)體決策。而局部環(huán)境又由所有細(xì)胞的集體決策決定，并在三維空間中隨時(shí)間演變。破解細(xì)胞如何編程生成成熟功能性生物膜的主要挑戰(zhàn)在于缺乏實(shí)驗(yàn)工具來(lái)研究單個(gè)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)如何驅(qū)動(dòng)生物膜的形成和結(jié)構(gòu)。
在他們的精妙研究中，秦等人開(kāi)發(fā)了雙視角光片顯微鏡，重建了由單個(gè)創(chuàng)始細(xì)胞啟動(dòng)的三維霍亂弧菌生物膜中的單細(xì)胞軌跡。這種方法通過(guò)熒光標(biāo)記細(xì)胞點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了生物膜中各向同性的單細(xì)胞分辨率，并且光漂白現(xiàn)象比以往方法少得多。這一進(jìn)展使得作者能夠在生物膜發(fā)育所需的16小時(shí)內(nèi)，每隔3分鐘同時(shí)成像10,000個(gè)霍亂弧菌細(xì)胞。頻繁的成像使得追蹤微米大小細(xì)胞的軌跡成為可能，從而前所未有地觀察到單個(gè)細(xì)胞在生物膜發(fā)育過(guò)程中的行為。
測(cè)量結(jié)果揭示了個(gè)體細(xì)胞行為的質(zhì)變，即隨著生物膜的發(fā)展，布朗運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椀肋\(yùn)動(dòng)。這一轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)于集體生長(zhǎng)的新階段，當(dāng)生物膜整體開(kāi)始垂直擴(kuò)展遠(yuǎn)離基底時(shí)。在這一階段，細(xì)胞表現(xiàn)出兩種軌跡類(lèi)型：一些細(xì)胞向外彈道擴(kuò)展，而另一些細(xì)胞則被困在基底?？傮w上，這些軌跡產(chǎn)生了集體噴泉狀流動(dòng)，將一些細(xì)胞運(yùn)送到生物膜前沿，同時(shí)繞過(guò)被困在基底的細(xì)胞。這種噴泉狀流動(dòng)允許生物膜快速橫向擴(kuò)展。
細(xì)胞追蹤使秦等人能夠精確量化不同細(xì)胞的動(dòng)態(tài)，同時(shí)評(píng)估這些動(dòng)態(tài)在過(guò)度產(chǎn)生基質(zhì)成分的突變細(xì)胞中的差異。為了解釋結(jié)果，作者構(gòu)建了一個(gè)生物膜擴(kuò)展力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，平衡生長(zhǎng)與基底摩擦。通過(guò)模擬不同表面摩擦并將預(yù)測(cè)的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)與觀察到的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行比較，秦等人解釋了觀察到的行為，只要細(xì)胞與表面之間的摩擦是主要因素。這項(xiàng)關(guān)于霍亂弧菌的研究提供了一個(gè)激動(dòng)人心的見(jiàn)解，即如何從單細(xì)胞水平上運(yùn)行的過(guò)程產(chǎn)生集體行為。用革蘭氏陰性細(xì)菌物種發(fā)現(xiàn)的機(jī)制可能在其他細(xì)菌類(lèi)型中普遍存在。例如，這項(xiàng)研究中觀察到的生物膜擴(kuò)展的質(zhì)變?cè)谄渌?xì)菌生物膜中有類(lèi)似現(xiàn)象。對(duì)于革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌枯草芽孢桿菌，一個(gè)細(xì)胞雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)觸發(fā)的菌落擴(kuò)展質(zhì)變中，表達(dá)鞭毛的細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)。與基質(zhì)生產(chǎn)相關(guān)的滲透壓驅(qū)動(dòng)菌落擴(kuò)展。
更廣泛地說(shuō)，這項(xiàng)研究展示了成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的巨大潛力，有助于解開(kāi)集體行為如何從單個(gè)細(xì)胞的活動(dòng)及其相互作用中產(chǎn)生。然而，生物膜內(nèi)部還有更多尚未被發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)。更全面的信息將使研究人員不僅能重建細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)，還能揭示它們的表型狀態(tài)。之前對(duì)枯草芽孢桿菌的研究中，通過(guò)熒光標(biāo)記基因成分顯示了各種細(xì)胞類(lèi)型的詳細(xì)空間排列，細(xì)胞在生物膜的不同部分執(zhí)行不同的生物功能。
我們只能假設(shè)在這項(xiàng)研究揭示的美麗噴泉中存在著多樣的細(xì)胞類(lèi)型和功能。對(duì)細(xì)菌多細(xì)胞行為的更深入理解將提高我們治療細(xì)菌感染、控制自然細(xì)菌群體并為特定目的設(shè)計(jì)合成細(xì)菌群體的能力。
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