大肠杆菌比眼睛看到的更多：单细胞生物中多细胞的证据

佐治亚理工学院和埃默里大学华莱士·H·库尔特生物医学工程系的研究人员在地球上研究最多的生物之一中发现了一些新的东西。他们的发现可能会影响破坏性细菌性疾病的治疗和预防。

大肠杆菌，或大肠杆菌，有充分的理由得到一个不好的说唱。生活在我们肠道中的这组不同的细菌大多是无害的，在维持健康的消化系统方面发挥着重要作用。但一些大肠杆菌是毒性最强的致病微生物之一。

致病性大肠杆菌对人类造成致命、代价高昂的损失，每年花费数十亿美元治疗和全球数百万人。它负责腹泻疾病、腹膜炎、结肠炎、呼吸道疾病和以及其他疾病。它是80%尿路感染的主要原因，尿路感染是最常见的细菌感染。

因此，在过去的一个世纪左右的时间里，研究人员一直热衷于了解他们所能了解的大肠杆菌的一切。他们从各个角度探索它，综合它，仔细检查它，以至于许多人认为没有太多其他东西可以学习。

“这可能是地球上研究得最好、最了解的生物体，”库尔特系助理教授凯尔·艾利森(Kyle Allison)说。“因此，微生物学家倾向于更多地关注其他微生物，特别是在过去20年左右。

但艾利森和他的同事们已经仔细研究了大肠杆菌，他们的研究正在产生关于这种普遍的单细胞生物的新见解，并提出了新的问题。首先，大肠杆菌似乎并不总是单细胞的。研究小组在他们的研究中解释了这一切，“大肠杆菌中可能的多细胞生命周期的证据”，本月发表在iScience杂志上。

“我们已经发现了一些以前从未在细菌中见过的东西，”艾利森说，他的埃默里实验室密切研究单个细菌，以更好地了解抗生素耐药性和多细胞生物膜。与Allison合作的是他的实验室的两名成员，研究生研究员Devina Puri，他是主要作者，博士后研究员Xin Fang。

微生物群落

在自然界中，细菌生活在称为生物膜的群落中，生物膜是包裹在自制，自我维持的粘液基质中的微生物簇，并附着在许多潮湿的表面上。它们无处不在，存在于我们周围和我们体内。生物膜的常见日常例子包括牙菌斑和池塘浮渣。

它们可以生长在植物和动物组织上，如我们的消化道内部，并引起严重的感染。最重要的是，生活在生物膜保护基质内的细菌不太可能受到抗生素的影响。

“我们知道生物膜在临床上很重要，特别是在感染方面，”艾利森说，他指出，大约80%的细菌感染都有生物膜成分。“几乎任何曾经研究过的细菌都可以制造它们。

在这项研究中，Allison的团队开发了结合微流体和琼脂糖垫(用于活细胞成像)的设备，并使用自动显微镜来跟踪和记录大肠杆菌的形态发生。

他们发现了一些新的东西——大肠杆菌的多细胞自组装过程。研究人员观察到未附着的单细胞生物组合成四细胞玫瑰花结，这是一种天然的多细胞形成，被认为在细菌中不常见。

“玫瑰花结在哺乳动物等高等生物中相当重要，因为它们启动了胚胎发生等发育过程，”艾利森说。

多细胞链

他们观察到大肠杆菌玫瑰花结生长成恒定宽度的链，在附着在表面上并形成生物膜之前继续生长10代。他们看到并记录了以前从未见过或记录过的细菌过程。

“我们在这里看到的是细菌可能不是我们过去认为的那样，”艾利森说。“我的怀疑是，我们发现的情况比我们所知道的要普遍得多。

他们对大肠杆菌和生物膜多样性的了解对合成生物学、细菌疾病的治疗和预防以及我们对多细胞发育的理解具有重要意义。例如，Allison可以看到他的实验室的研究可以作为其他研究领域的蓝图 - 例如生物膜工程，它利用微生物群落的有益用途，产生可编程的生物膜。

“根据我们学到的知识，生物膜工程最有效的方法可能是让生物体做他们想做的事情，”艾利森说。“然后，在最后阶段，我们的想法是对其进行编程，使其做你需要做的事情 - 为药物开发创建一个分子，表达一种酶来帮助降解生物塑料或对环境有害的东西。我们的工作为如何进行提供了一些明确的证据。

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