破译生物膜密码研究及其应用前景

                                    杨顺楷             密西根州兰幸市一社区

MSU微生物及分子遗传系的Dr. Chris Waters（Assis Prof）团队2014年春季学期有一位6年级的博士研究生将毕业，通过她的Ph.D学位论文答辩，内容是有关生物膜（biofilm）研究。这就不得不回想起80年代初，笔者聆听过MSU田兴地教授（当时美国生物物理学会主席，该校生物物理系主任）访华期间在成都锦江宾馆9楼会议室做过的有关生物膜研究进展的学术报告。因此对于MSU在生命科学领域在生物膜研究的学术基础及科学积累是深厚扎实的，虽然田先生已经去世多年，但是MSU有关生物膜前沿研究仍然保持了与时俱进的态势。

生物膜（biofilm）或细菌多细胞群落至今仍然是医学界的一大难题。因为它同心脏起搏器，导液管，以及髋部植入物件的感染有密切关系；也可能导致糖尿病患者不愈合脚部溃疡，直至最终截肢。当细菌附着在表面时就形成生物膜，开始分泌细胞外物质，通常称为胞外粘液质，该粘液质就形成一道屏障，将来至外周环境的有毒物质分隔开，从而保护了细菌得以生存。这些有毒物质主要来至阿米巴，原生动物，以致抗生素存在的环境条件下也对包裹在膜内的细菌不起作用。

生物膜倍加引起关注还在于人体内的免疫系统有一个穿越生物膜的困难时段，因为由来自细菌形成的保护层不许可免疫细胞进入，而细菌却可通过。加之，生物膜固有对抗抗生素治疗的特征，即使抗生素可以杀死95%生物膜内的细菌，但是仍然存在不被杀死的5%次生细菌种群。这就必然导致不能被清除的慢性感染。

Dr.  Waters说：“我们的目标就是要了解这一过程，以至于我们能够建立起介入策略，并发现新化合物特异性地作用于该生物膜。然后，就能够靶向针对这些感染进行治疗。” 群落内的细菌彼此经过内部的化学信号进行沟通。目前，Dr.  Waters的团队为了破解这些密码正在研究这类生物膜。这些密码允许细菌彼此间经过化学途径进行通信。使用的模式系统是霍乱弧菌（Vibrio cholerae），用以研究细胞内信号分子，即称为环2-鸟苷酸（c-di-GMP），细菌关键的生物膜信号分子。

Waters研究团队最近筛选了70000个小分子化合物，试图发现抑制c-di-GMP合成的化合物；这就可以借助抑制c-di-GMP合成的手段阻止生物膜的形成。到目前为止，已经选出了一些化合物具有所要求的抑制作用，并且已经在2012年秋发表了首篇酶合成抑制剂的学术论文。Waters说：“现在我们将采用这些已经筛选出来的这些抗生物膜化合物，了解它们用于疾病模型的有效性”；“最终，我们的目标是要研制一类抗生素，可以用于临床治疗生物膜感染；我们也还可能将此技术体系外延到其它的细菌体系，实现靶向途径系统方法学的建立。”

最后，值得指出生物膜议题在工业工艺领域也还有重要应用，主要涉及管道，冷却塔以及食品加工装备表面防治微生物腐蚀问题。