类似于人体组织内的细胞作为一个整体进行交流和共同发挥作用的方式，细菌也能够通过化学信号相互交流，这种行为称为群体信号 (QS)。这些化学信号通过细菌菌落达到一定密度后形成的生物膜传播，并用于帮助菌落清除食物，以及抵御抗生素等威胁。

受表面结构影响的跨生物膜的细菌信号显示研究

“QS 帮助他们在周围建设基础设施，例如城市，”Jonathan Sweedler (CABBI/BSD/MMG) 实验室的博士后研究员 Dharmesh Parmar 说道，他是化学系 James R. Eiszner 家族捐赠主席。“生物膜有通道，允许营养物质和化学信号形式的信息通过。如果环境中存在威胁或压力，它们还允许菌落之间的串扰。”

生物膜的形成和随后对抗生素的耐药性对于免疫力低下或患有囊性纤维化(CF)等疾病的人尤其危险，这会导致肺部粘液表面停滞，细菌更容易附着。为了更好地了解在抗生素存在的情况下哪些表面因素会影响或可能抑制生物膜的形成，伊利诺伊大学香槟分校 Sweedler 实验室的研究人员与圣母大学的合作者一起，通过 QS 测量了生物膜形成的速率一种常见于医院感染的细菌，铜绿假单胞菌。

铜绿假单胞菌在各种表面上迅速形成生物膜，当菌落开始使用 QS 进行交流时生物膜会加速，并使抗生素治疗变得困难。此外，铜绿假单胞菌产生的生物膜厚度可能会有所不同。“粘液”菌株产生比非粘液菌株更厚的生物膜，并且通常与 CF 患者的感染有关，CF 是一种增加粘液粘度和在肺部积聚的遗传病症。

在这项研究中，这两种菌株都生长在结构不同的人造表面上，一种是均匀的或“无图案的”，另一种是用脊块“图案化”的。然后，研究人员测量了在是否存在抗生素的情况下生长的菌落能够以多快的速度开始与 QS 通信。使用质谱法和拉曼成像检测 QS，测量与行为相关的信号分子的存在。

研究人员注意到的第一件事是，抗生素减缓了生物膜的生长和跨菌株和结构类型的 QS 分子的产生。接下来，研究人员发现表面类型对非粘液菌株有很大影响，因为图案结构与 QS 分子表达达到峰值之前的较长潜伏期相关。对于较厚的粘液样菌株，情况并非如此。

“虽然抗生素减缓生物膜生长的影响并不让我们感到惊讶，但对表面结构的巨大而不同的影响是惊人的，”Sweedler 说。

“在非粘液菌株中，表面图案对 QS 信号特性产生了巨大影响，”Parmar 补充道。“就粘液而言，表面结构对其代谢特征的影响非常小。”

研究人员还探索了当在平坦表面上生长并暴露于抗生素时，QS 信号分子在生物膜不同部分的分布有何不同。样品取自生物膜附着在表面的“静态生物膜”、培养物的“上清液”或液体培养基，以及在液体培养基顶部形成并与空气相互作用的“薄膜生物膜” .

研究人员发现，上清液和薄膜生物膜含有与应激反应相关的信号分子，而静态生物膜不含这些分子。研究人员认为这是因为生物膜的液体成分允许细菌漂浮并在其他地方开始新的菌落，但在此过程中细菌也暴露在威胁情况下，例如抗生素的存在。

通过比较这些不同处理的生物膜生长过程中的 QS 行为，研究人员可以更好地了解这种细菌如何以及使用何种分子，并获得关于细菌生长的新见解。

“使用目前可用的抗生素根除铜绿假单胞菌生物膜非常具有挑战性，因此我们这项研究的目标是了解控制这些生物膜生长和稳定性的因素是什么，以及细菌如何逃离这些生物膜结构以在新位置定居，”Parmar 解释道。

“我们使用的化学信息丰富的方法和分析技术使我们能够跨时空探索这些与生物膜形成相关的复杂分子事件，”Sweedler 解释说。

该团队表示，下一步是使用这些优化的分析技术来测量大鼠肺切片上的 QS 信号，而不是像当前研究中使用的那样制造结构。由于铜绿假单胞菌通常与 CF 患者的肺部感染有关，了解它如何在肺部形成生物膜可以帮助科学家设计方法来减缓或防止这些患者的细菌生长。

Parmar 描述了一个潜在的未来应用可能是设计医疗设备的表面以阻止细菌粘附和生物膜形成。这些发现还可用于帮助防止生物污染，即细菌破坏或降解生物产品和表面。