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细菌组织感染或阻断肠道，医疗支架和废水管道等途径的破坏能力依赖于彼此之间的沟通。普林斯顿大学研究人员的新工作表明，细菌保持接触能力的有效性受到它们入侵环境中物理特性和流体流动的影响。这些发现可以更好地了解科学家在何时何地可以干扰细菌通讯以帮助预防感染和阻塞。
研究人员模拟了实验室中的真实环境，发现空间的形状和流体通过它们的流动影响了细菌的生长和粘性表面层的形成，称为生物膜。该研究发表在“ 自然微生物学”杂志上，研究还发现，液体流动可以决定细菌何时何地开始作为致病因子起作用。
细菌通过称为群体感应的化学过程进行交流，其中它们释放分子作为附近细菌检测到的信息。然而，大多数关于这一过程的研究都是在受控的实验室条件下进行的，共同作者Bonnie Bassler，普林斯顿的Squibb分子生物学教授和Howard Hughes医学研究所的研究员解释说。Bassler是一名分子生物学家，他与普林斯顿大学的同事一起工作和化学方面的专业知识，在更准确地类似于现实世界的环境中探索群体感应。
“我们意识到，如果我们要学习如何根据需要操纵群体感应以找到治疗疾病的方法，我们必须知道它在现实环境中是如何工作的，”Bassler说。“这项研究的最终目标是以破坏有害细菌和使所需细菌受益的方式改变群体感应。”
共同作者霍华德·斯通，普林斯顿大学的Donald R. Dixon '69和伊丽莎白·W·迪克森机械与航空航天工程教授说，在这些现实世界的情况下，流体流动会干扰群体感应中使用的化学信使的传递。“如果你有足够的流量，它可以在你的邻居知道它存在之前洗去一种化学物质，”斯通说。
第一作者，普林斯顿大学化学系的研究生Minyoung Kevin Kim建立了模拟常见环境的实验装置，在这些环境中，细菌受到废水或体液等液体的流动：管道内部表面，裂缝中发现的裂缝。肠道内壁，以及涂有生物膜的表面等。共同作者，普林斯顿大学机械和航空航天工程博士后研究员Francois Ingremeau现在在法国格勒诺布尔大学，他还进行了大量的实验和模拟工作，涉及对流体流量的群体感应响应。
Kim推出的流体流速与现实生活中的流速相当。他研究了两种引起疾病的细菌霍乱弧菌 - 霍乱弧菌 - 金黄色葡萄球菌背后的感染因子，它可引起各种感染，如脓肿和医院感染。在每种情况下，研究人员发现，群体感应的水平和位置取决于物理空间的三维形状和流动条件。
在一项实验中，研究人员证实了先前的观察结果，即移动的流体可以通过带走信使分子来抑制群体感应。研究人员说，这一发现有助于解释为什么在管道中的流动条件下形成强大的生物膜。研究人员发现，运输的群体感应分子可以找到进入下游细菌的途径，并建立细菌细胞之间的远距离通讯。这种交流可能发生在管道，土壤细菌菌落和动物肠道中，可能有助于疾病的传播。
此外，研究人员观察到，生物膜底部的群体感应分子受到保护，不受流体流动的影响，可被相邻细胞检测到。接收这些群体感应信息的细胞然后可以启动基因表达程序，该程序使细菌能够从生物膜中脱离，通过流动的流体传播到新的位点并可能将感染传播到新的位点。
研究人员还调查了缝隙中的群体感应，例如被称为隐窝的肠道内腔。在地穴底部流动的庇护，群体感应分子可以在细菌之间传播，但隐窝顶部附近的分子被带走。金说，这符合金黄色葡萄球菌如何引起疾病的已知情况。
“在内部隐窝，细菌参与群体感应并激活一种叫做肠毒素B的毒素的产生，这种毒素可以增加隐窝的深度，”Kim说。“根据我们的研究结果，这项活动进一步将金黄色葡萄球菌与流动隔离开来，这种机制可能会促使群体感应控制致病性，特别是在隐窝内部。”
为了探究群体中群体感应的健康后果，研究人员在流动中引入了一种分子，它可以作为一种拮抗剂来关闭由众所周知的医院，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌定居的室内的群体感应，或MRSA。研究人员的拮抗剂分子由合着者Aishan Zhao合成，他是一名化学研究生，在缝隙和失活的群体感应中弥散，这表明它可以作为减轻MRSA毒力的潜在策略。
研究人员得出结论，暴露于流动液体和形状奇特的空间中的相同细菌菌株可以经历广泛不同的群体感应水平，导致复杂的发病机制和定植模式。“这是研究中令人惊讶的发现之一，”金说。
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