加州理工学院和普林斯顿大学的研究人员发现了一种关于在聚合物丰富环境中生存的细菌细胞的有趣发现，比如粘液。他们观察到这些细菌形成了延伸的、交织在一起的电缆状结构，令人想起“活的果冻”。
这一发现对理解和治疗如囊性纤维化等疾病具有重要潜力，此类疾病常常导致肺部粘液增厚，进而引发严重的细菌感染。它还可能为生物膜提供线索——这些生物膜是被凝胶状物质包裹的细菌群落——出现在自然环境中，如河石，以及工业环境中，这些生物膜可能导致设备故障和健康风险。
研究结果于1月17日在《科学进展》杂志上发表。
根据加州理工学院化学工程、生物工程和生物物理学教授、论文的主要作者苏吉特·达塔的说法，“当许多细菌在含有长链分子的水基液体中生长时，例如粘液中的聚合物，它们会形成交织的结构，类似于活的凝胶。值得注意的是，这一过程背后的物理机制与许多非生物凝胶的形成相似，如果冻或洗手液。”
达塔最近从普林斯顿转到加州理工学院，他与研究生塞巴斯蒂安·冈萨雷斯·拉·科尔特合作，后者是该出版物的主要作者。他们在探索囊性纤维化患者的粘液浓度变化，这些患者的聚合物水平通常较高。冈萨雷斯·拉·科尔特利用麻省理工学院提供的粘液样本，在标准液体和类似粘液的溶液中培养“大肠杆菌”，并在显微镜下观察细菌生长。
专注于无法游动的细菌细胞，冈萨雷斯·拉·科尔特注意到，随着这些细胞的增殖，它们通常会漂移开来。然而，在聚合物溶液中，复制的细胞保持端对端连接。
“随着细胞不断分裂并相互附着，它们形成了我们称之为电缆的惊人长结构，”冈萨雷斯·拉·科尔特解释道。“最终，这些电缆开始弯曲并交织在一起，形成一个复杂的网络。”
研究人员观察到，只要细胞有足够的营养供应，这些电缆就会继续生长和扩展，最终产生可以包含数千个细胞的链条。
进一步的调查显示，细菌物种的类型或特定的聚合物溶液对电缆的形成没有影响；只要细胞周围有足够的聚合物，电缆就会发展。他们甚至用合成聚合物复制了这些发现。
虽然该研究最初旨在提高对囊性纤维化患者感染的理解，但其影响远不止于此。粘液在人体的多个部位中发挥着重要作用，包括肺、肠道和宫颈阴道道。达塔还强调了这些发现与生物膜的相关性——分泌自身聚合物基质的细菌集聚体。生物膜不仅存在于人体中，如牙菌斑，还普遍存在于土壤和工业环境中，在这些地方它们可能对机器造成损害并带来健康风险。
“生物膜分泌的聚合物基质使它们非常难以从表面移除，并对抗生素产生耐药性，”达塔指出。“理解细胞在此基质中生长的方式，可能对找到更有效的管理生物膜的方法至关重要。”
理解电缆背后的物理学
研究团队进行了精心设计的实验，揭示了周围聚合物的外部压力驱动细菌细胞相互靠近并维持其位置。这种由外部压力影响的吸引力在物理学中被称为消耗相互作用。冈萨雷斯·拉·科尔特基于该理论开发了细菌电缆生长的理论模型，从而能够预测在聚合物丰富的环境中电缆何时可能生存和生长。
达塔表示：“现在，我们可以将原本用于完全不同现象的聚合物物理学理论应用于这些生物系统，以定量确定何时这些电缆可能出现。”
细菌为何形成这些电缆？
达塔解释道：“我们偶然发现了这个有趣和出乎意料的现象。我们可以从物理学的角度阐明它的机制，但生物学的含义仍然不确定。”
关于电缆形成有两种主要理论：细菌可能聚集在一起以增强其尺寸，从而使免疫细胞更难吞噬和摧毁它们。或者，这种缆绳形成可能对细菌有害，因为这些聚集是由宿主分泌物促发的。“粘液是动态的；例如，在肺部，它会被微小的毛状结构定期移向喉咙，”达塔指出。“细菌形成这些电缆时，是否实际上促进了它们从体内排出？”
此时，对这一现象的真实原因仍然未知。达塔表示，这种不确定性使研究变得引人入胜。“现在我们识别出了这一现象，我们可以提出新的问题并设计进一步的实验来探讨我们的假设，”他总结道。
