细菌生物膜是导致慢性感染和抗生素耐药性的一大难题。这些微生物群落被自身分泌的胞外基质（ECM）包裹，如同筑起一座堡垒，使其能够抵御抗生素和宿主免疫系统的攻击。长期以来，科学界对生物膜如何形成已有深入理解，但其分散过程——即细胞如何脱离群落——却知之甚少。传统观点认为，生物膜的分散主要是通过酶解作用降解胞外基质，导致整个群落“溶解”和全局性扩散。然而，生物膜内部细胞状态存在空间异质性，这引出一个关键问题：这种差异是否会导致一种局部而非全局的、全新的分散机制？

加利福尼亚大学圣迭戈分校Gürol M. Süel教授课题组发现，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的生物膜能够利用一种自产的水凝胶——聚-γ-谷氨酸（γ-PGA），通过物理力量将特定类型的细胞局部、定向地“喷射”出去。这一机制不仅揭示了生物膜分散的新途径，更出乎意料地发现其与水母等刺胞动物用于发射刺细胞的物理原理惊人相似。相关论文以“Self-generated hydrogel ejects bacterial cells for localized biofilm dispersion”为题，发表在Nature Microbiology上。

为了在单细胞水平上观察生物膜的动态，研究团队设计了一种毫米尺度的微流控生长室。他们发现，当生物膜经历短暂的营养缺乏后，一种定向的局部分散现象被触发：细胞并非从生物膜整体上脱落，而是从内部沿特定路径向外定向涌出（图1c-f）。通过粒子图像测速技术分析，这种运动明确来自生物膜内部，并向外流动，而非全局性的瓦解。

图1 | 细菌生物膜经历局部分散。

进一步研究表明，这些喷射出的细胞主要是位于生物膜内部的运动型细胞（图2b）。然而，一个意外的发现是，当敲除编码鞭毛蛋白的* hag 基因后，虽然细胞丧失了主动游泳能力，但生物膜依然能发生分散（图3d）。这说明，细胞身份（运动型）是关键，但主动游动并非驱动力。研究团队将目光投向了运动型细胞产生的另一种物质——γ-PGA。当他们敲除负责合成γ-PGA的 capBCAE *操纵子后，生物膜的分散现象完全消失（图3f），而添加一种电荷中性的渗透调节剂山梨醇来竞争水分、抑制γ-PGA水凝胶膨胀，也同样能阻止分散（图3h），这证实了γ-PGA膨胀产生的渗透压是驱动分散的核心力量。

图2 | 分散区域由运动型细胞组成。

图3 | γ-PGA驱动局部分散而不需要基质降解。 

为了验证这一假说，研究人员构建了γ-PGA过表达菌株（在添加了D-谷氨酸和诱导剂的培养基中培养）。该菌株产生的生物膜内部出现了大量因细胞被推开而形成的空隙（图4a）。受到刺胞动物利用pH变化控制γ-PGA体积的启发，研究人员通过每10分钟交替改变培养基的pH值（7和4），成功地让这些空隙发生可逆的膨胀与收缩，生动地展示了γ-PGA水凝胶的动态物理特性（图4c-f）。数学模型进一步预测，γ-PGA的过度表达将导致生物膜全局性崩解（图5c；图5b则展示了野生型在饥饿条件下的模拟结果作为对照）。实验证实了这一点：在避免触发自然分散的条件下，γ-PGA过表达菌株的生物膜会不断分裂成众多小细胞团块并被冲走，而野生型菌株则保持完整（图6a-e）。

图4 | γ-PGA膨胀将细胞推开。

图5 | 数学模型重现分散并预测生物膜破裂。

这项研究揭示了生物膜分散的一种全新物理机制：利用自产的γ-PGA水凝胶的膨胀力，实现特定细胞群体的局部释放。这种策略与依赖酶解的全盘分散截然不同，它允许生物膜在保留主体结构的同时，“押注”性地释放部分细胞去开拓新环境。更令人惊叹的是，这一机制与刺胞动物（如水母）发射刺细胞的过程在分子和物理层面惊人地相似（图6f, g），显示了生物策略在进化中的趋同性。该发现为开发新型抗菌策略提供了新思路——通过调控γ-PGA，我们或许能主动“粉碎”生物膜，使其对抗生素更加敏感。这一来自细菌的启示，也为理解肿瘤等复杂生物系统中水凝胶介导的细胞驱逐过程架起了桥梁。

图6 | γ-PGA过表达迫使生物膜破裂。

来源：高分子科学前沿