弗吉尼亚理工大学教授获得NSF资助以研究细菌中的生物膜形成

我应该走还是留?这是人们在生命旅程中自问的常见问题，但细菌也在问同样的问题。

弗吉尼亚理工大学科学学院生物科学系副教授Zhaomin Yang从美国国家科学基金会(NSF)获得了100万美元的资助，以了解细菌如何决定是否留下并建立生物膜或启动运动性搬到新的领土。

“细菌生物膜对我们的生活和社会产生了深远的影响，因为它们可以在如此多的表面形成，”杨林说，他是弗拉林生命科学研究所的附属教员。“大多数急性感染是由自由生活的细菌引起的，大多数慢性感染与宿主中的生物膜形成有关。慢性感染难以治疗的部分原因是因为生物膜中的细菌病原体对抗生素的抵抗力更强。”

许多人可能认为细菌是狂热的游泳者，他们的螺旋桨状鞭毛可以帮助他们在开阔的海洋，淡水体或其他水环境中放大。但杨说，出于两个原因，这是一种误解。

首先，细菌的运动状态只是暂时的。事实上，细菌大部分时间都生活在生物膜中，这些生物膜是附着在固体表面上的固着或固定的结构。生物膜就像细菌群落一样，房屋和道路都是用自制材料建造的。但有时，特别是当病情恶化时，细菌可能会选择连根拔起并转移到更有利的地方建造新的生物膜。

他们必须认真做出决定。“无柄和运动状态之间的来回过渡是细菌的生死决定，正确的举动导致未来的繁荣，但错误的导致危险的旅程，”杨说。

其次，大多数细菌甚至没有鞭毛，并且为了生存，某些细菌必须在表面上爬行或滑动。

在过去，人们往往是游牧民族，他们一直生活着。然后是另一个社会，人们安顿下来并创建社区。无论你是游牧民还是生活在一个定居点。你可以像这样想到细菌。“

杨说，生物膜和运动状态之间的转变主要是用鞭毛细菌研究的。研究人员非常清楚地知道表面爬行的细菌如何制定并执行他们决定坚持和安定下来或连根拔起并搬到一个新的地方。

细菌必须做出分子水平的变化才能将其最终决定付诸行动。为了开发生物膜，细菌必须首先禁用它们的运动装置和运动蛋白，然后生产用于生物膜的建筑材料。为了移动到其他地方，细菌必须停止产生允许它们留在生物膜中的分子，然后构建并启用它们的运动结构。

他解释说：“一方面，它是一种运动装置，可以使许多细菌像擒抱钩一样通过伸展和收缩爬过表面。另一方面，它是一种粘附素和调节剂，可以增强生物膜的形成。”Yang专门研究IV型菌毛(T4P)，细菌表面发现的毛发状表面结构，以了解它们令人困惑的，几乎是矛盾的功能。

假设环状di-GMP(细菌中的信号分子)可通过与T4P运动蛋白PilB相互作用而在生物膜形成和运动中打开或关闭T4P的相互排他性功能。Yang使用来自黄石国家公园的细菌Chloracidobacterium thermophilum的基因进行体外研究，并使用细菌Myxococcus xanthus进行体内研究。

为了让研究人员更深入地了解这些分子过程，该项目需要使用先进的成像和结构分析。Yang与名古屋大学的Takyuki Uchihashi合作，他是高速原子力显微镜(HS-AFM)的专家。

Deborah Kelly是本研究的联合首席研究员，是宾夕法尼亚州立大学生物医学工程系的低温电子显微镜(cryo-EM)专家。凯利还在哈克生命科学研究所指导新的结构肿瘤学中心。

“近年来，对低温EM的兴趣急剧上升。这项技术真正改变了我们对生命过程的看法。我们很高兴为杨博士的项目提供冷冻EM的见解。我们一起可以发现微小微生物的新细节生物膜形成与疾病起源之间的联系仍然是现代社会面临的主要健康风险。我们的工作旨在解决生物医学界未满足的需求，“凯利说。

Keane Dye，三年级博士生生物科学系的学生，自从他在杨氏实验室的论文项目工作以来，在该领域拥有一些专业知识。

“我正在研究环状二-GMP和腺嘌呤核苷酸如何与PilB结合，以及一种结合如何影响其他人的结合。了解这些相互作用是必要的，以便为PilB如何调节其功能提供生化框架。 T4P的运动性和生物膜的发育，“Dye说。

在我们迫切需要创建社区和定居点方面，谁会知道细菌与我们很像?

Yang感谢VT PREP和IMSD计划主管Ed Smith的支持。该项目的过去工作得到了三项标准的NSF研究资助和一项从国立卫生研究院到杨实验室的R01的支持。

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