穿过细菌细胞包膜的电势表明细菌何时不再作为单个细胞而是作为一个集体运作。科隆大学生物物理研究所的研究人员发现了细菌的电特性和生活方式之间的这种联系。

虽然细菌是单细胞生物，但它们形成空间结构的群落，即所谓的生物膜。在生物膜中，细菌表现为一个集体，可以更好地保护自己免受抗生素等外部压力的影响。到目前为止，人们在很大程度上不知道从单一细菌到如此复杂的群落是如何过渡的。

研究人员研究了细菌在生物膜形成过程中的电特性如何变化，并发现了在空间和时间上演变的电势的特征模式。这些模式与对抗生素具有不同程度耐受性的新栖息地的发展相关。研究人员在PLOS Biology杂志上的文章“细菌菌落中的集体极化动力学意味着不同亚群的发生”中描述了他们的发现。

单个细菌在其包膜(膜)上建立电势，因此被电极化。对于细胞来说，这种极化是呼吸、营养物质摄取和毒素输出的重要能量来源。最近的方法学进展使研究人员能够在单个细菌细胞的规模上检查膜电位的动力学。这些研究表明，单细胞的膜电位波动独立于其邻近细胞。

在生物膜发育过程中，电位如何变化，哪些环境因素会影响电位?这种潜力与细胞的生长行为及其对抗生素的耐受性有何关系?这些问题现在由Berenike Maier教授领导的生物物理研究所的一组研究人员提出。

他们检查了淋病奈瑟菌(又名淋球菌)生物膜形成的早期阶段，淋病是淋病的病原体，淋病是最常见的性传播疾病之一，可导致异位妊娠和不孕症。在几分钟内，淋球菌自我组装成包含数千个细菌的球形菌落。

“使用先进的光学显微镜和图像分析，我们可以测量这些菌落中单个细胞的膜电位的动态，”第一作者Marc Hennes博士解释说。“这种潜力在细菌的新鲜菌落中是不相关的。当菌落达到临界大小时，我们观察到一些完全出乎意料的事情：中心的所有细胞突然增加其潜力;他们两极分化。最终，超极化细胞的外壳出现在菌落中心并穿过菌落。在这个外壳后面，中心的潜力较低。

研究人员将这种时空相关极化模式的现象解释为向集体行为的过渡，表明生物膜的形成。计算机模拟和湿实验室实验的结合显示了强有力的证据表明，这种极化模式与氧气可用性的变化有关。这种模式之所以存在，是因为中心的细胞消耗氧气的速度比扩散重新补给氧气的速度快。

因此，一个重要的问题是膜极化模式是否与生物膜的已知功能异质性相关。事实上，细菌在经历超极化过程后降低了生长速度，而居住在菌落表面的细菌的生长速度仍然很高。

此外，菌落中心的细菌对抗生素表现出更多的耐受性。在治疗生物膜时，对抗生素的耐受性增加是一个严重的医学问题。耐受性的分子机制是一个新项目的主题。未来的目标是更好地了解极化模式形成的分子机制及其与抗生素耐受性的关系。