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细菌利用莲花效应来保护自己

牙菌斑和排水管中粘稠的棕色粘液是细菌生物膜的两个常见例子。从表面去除这种细菌沉积通常是非常困难的,部分原因是它们极其防水。来自慕尼黑工业大学(TUM)的一组科学家现在已经能够展示这种生物膜如何调整其表面纹理以排斥水 - 类似于叶子。

细菌利用莲花效应来保护自己

细菌围绕着自生化学结构单元(聚合物)的外壳,以保护自己免受环境危害。细菌和它们产生的粘液的组合称为生物膜。在表面形成生物膜的微生物已经开发出巧妙的策略,可防止自来水冲走。这不仅在排水管中而且在医疗植入物和管上都会成为主要问题。

生物力学教授Oliver Lieleg教授和他在慕尼黑生物工程学院的研究小组“生物水凝胶”正在研究使细菌生物膜如此坚韧的物理原理。在最近发表在NPJ Biofilms and Microbiomes杂志上的一项研究中,他们使用共焦反射光学显微镜精确测量了生物膜的表面。

营养供应决定了生物膜的表面

“我们的第一个认识是:并非所有生物膜都是相同的 - 即使它们是由同一种细菌生产的,”Oliver Lieleg说。研究人员发现,土壤细菌枯草芽孢杆菌可以产生具有非常不同特性的生物膜:在某些情况下,水滴几乎立即在表面上扩散。在其他情况下,即使表面垂直倾斜,它们也会以球形珠子的形式从表面滚落或粘附到表面上。

该团队表明,微生物采用植物世界的技巧,即莲花植物和玫瑰叶子的防水行为。Lieleg和他的团队发现细菌膜的表面结构确实与植物叶子的表面结构非常相似。与叶子一样,生物膜在微米和纳米尺度上也具有粗糙结构,使得它们不耐水润湿。

然而,植物叶子和生物膜在这方面都有所不同:当存在莲花效应时,小水泡被困在水滴和叶子表面之间,而这在玫瑰花瓣效应中不会发生。这就是为什么水滴从荷叶上滚落但坚持玫瑰花瓣的原因。生物膜是否更像荷叶或玫瑰花瓣取决于生长过程中细菌可获得的营养,因为这决定了生物膜的精确表面结构。

一种抗击生物膜的新方法

生物膜中的细菌通常难以用抗生素和其他化学物质杀死。在某种程度上,细菌耐药性的增加是造成这种情况的罪魁祸首。研究人员现在提出解决生物膜的防水性能:“抗菌物质不能工作,如果它是无法达成的表面生物膜,因为它滚降。因此,我们需要对此进行修改。水排斥表面的质感,”奥利弗Lieleg解释道。“这将是从表面如管,导管和感染伤口中去除生物膜的新方法。”

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