현미경 아래의 녹색 빛은 그 강도가 타임 스퀘어와 경쟁하지 않았을 수도 있지만, 미생물학자인 카타린 코이테에게는이 번잡 한 도시에 대한 그녀의 첫 엿보기도 흥미 진진했습니다. 옥스포드 대학교의 박사 과정 학생으로서, 그녀는 세계에서 가장 작은 스위스 치즈 조각과 같은 미세 유체 칩과 같은 구멍이 달린 작은 플라스틱 석판을 설계했습니다. 그것은 많은 박테리아가 살고있는 토양과 같은 다공성 환경과 비슷했으며, 그녀는 다른 균주로 그것을 시드했습니다. coli . 그녀는 각 균주를 형광 단백질로 태그하여 독특한 색상을 제공했으며, 이로 인해 Cyte는 각 세포 유형의 수를 측정 할 수 있습니다. 꾸준한 물의 흐름이 설정에 영양분을 가져 왔을 때, 그녀는 뒤로 물러서서 박테리아가 바이오 필름으로 알려진 미생물 메갈로 폴리스를 만드는 것을 보았습니다.
바이오 필름은 어디에나 있습니다. 플라스크에서 수영을하거나 페트리 접시에 뿌려진 고독한 미생물에 대한 드문 대안과는 거리가 멀지 만, 단순한 세포의 99.9 %가 원핵 생물이 불이행하여 수백만 명의 동포들 사이에서 가까운 분기에 살기 위해 불이행했습니다. 클러스터링 박테리아의 이러한 바이오 필름은 중심선과 카테터에서 침진성 감염을 일으킬 수 있습니다. 그들은 하수도에서 치아에 이르기까지 모든 것을 파울합니다. 단일 바이오 필름에 살 수있는 수십억의 박테리아는 세포 외 매트릭스라고 불리는 설탕과 단백질의 끈적 끈적한 조합으로 스스로를 커버하여 선택의 표면에 효과적으로 접착됩니다. 바이오 필름의 매트릭스와 물리적 형태는 모두 포식자와 항생제에 의한 공격으로부터 구조의 중심에 사는 세포를 보호합니다. 바이오 필름의 크기와 IT 내의 세포의 상호 작용은 다른 세포에 음식을 획득하거나 포식자를 파괴하거나 전체 구조를 재발하는 유전자 물질의 저수지 역할을하는 등 특정 작업을 전문화 할 수있는 기회를 제공합니다.
“우리는 본질적으로 자연 서식지 에서이 복잡한 공동체를 볼 수 있으며 구조 나 신진 대사를 연구 할 수 있습니다. 몬트레이 베이 캘리포니아 주립 대학의 해양 생물학자인 멜리사 그렌 (Melissa Garren)은 말했다.
예를 들어, Coyte의 미세 유체 칩 실험은 현재 뉴욕의 Memorial Sloan Kettering Cancer Center의 박사후과의 박사 과정이며, 동료들은 물의 흐름과 존재하는 박테리아의 수가 어떻게 생물의 성장을 제한하고 재구성 할 수 있는지를 밝혔습니다. 올해 국립 과학 아카데미 (National Academy of Sciences)의 절차에 출판 된 그들의 작품 , 유체 역학적 전단과 같은 물리적 힘과 세포 외 매트릭스의 끈적 력이 복잡한 집단으로 미생물의 성장을 형성한다는 것을 보여주는 급성장 문헌에 추가된다. 이 연구는 바이오 필름의 형성과 진화를 지배하는 규칙을 해독하는 경로에 대한 큰 단계를 제공합니다.
이러한 생물 물리학 적 힘은 바이오 필름 도시의 보편적 구역 규칙과 같습니다. 그들은 주민들이 식품 및 건축 자재를 얻는 방법, 움직일 수있는 방법 및 서로 상호 작용하는 방법을 지배합니다. 도시 기획자가 토목 공학 원칙과 규정에 대한 지식을 사용하여 사람들을위한 더 나은 도시를 건설하는 것처럼, 미생물 학자와 생물 공학자들은이 규칙을 사용하여 우리 주변 안팎에 사는 수십억 개의 세포에 대상을 더 친절하게 만들 수 있습니다.
.1683 년 9 월 17 일, Antonie van Leeuwenhoek은 런던 왕립 학회에 현미경에서 본 작은“동물성”소식으로 편지를 썼습니다. Leeuwenhoek은 자신의 이빨에서 두 명의 여성과 두 명의 노인 인 두 명의 여성과 두 명의 노인을 긁어 냈습니다. 그의 서한은“믿을 수 없을 정도로 위대한 동물이 살아있는 동물성 회사, 지금까지 본 것보다 더 잘 자루를 썼다”고 묘사했다. 과학자들은 이제 묘사 된 치아 플라크 Leeuwenhoek이 실제로 개별 박테리아의 간단한 수집이 아니라 바이오 필름이라는 것을 알고 있습니다.
.Leeuwenhoek의 초기 발견 날짜에도 불구하고, 1970 년대와 80 년대까지 미생물 학자들이 바이오 필름을 조사하기 시작했습니다. 프린스턴 대학교의 보니 베이 슬러 (Bonnie Bassler)와 같은 초기 개척자들은 박테리아가 쿼럼 감지로 알려진 과정에서 동료들의 인구 조사를하는 데 박테리아가 사용하는 화학 신호를 확인했습니다. 다른 연구자들은 세포 외 매트릭스를 합성 한 유전자 와이 매트릭스가 종과 같은 개인 내에서 어떻게 변할 수 있는지를 디코딩했습니다.
이러한 과학적 기여가 중요했기 때문에 연구는 근본적인 한계로 어려움을 겪었습니다. 바이오 필름을 동일한 박테리아의 질량과 다르게 만드는 것은 성분 미생물들 사이의 수많은 상호 작용입니다. 그러나 그 과학자들은 페트리 접시에서 자라는 바이오 필름을 관찰 할 의무가있었습니다. 그리고 이러한 간단한 실험실 조건이 바이오 필름과 그 기능을 형성하는 모든 생물 물리적 상호 작용을 지원할 수 없다는 것이 점점 더 분명해졌습니다.
예를 들어, 바이오 필름에서 박테리아 간의 많은 상호 작용은 바이오 필름과 그들 사이에서 강렬하게 경쟁적입니다. 빠르게 성장하는 유기체는 이웃이 공간을 점령하기 전에 영양분을 빼앗아 갈 것입니다. 다른 박테리아 종은 항생제를 분비하여 경쟁 업체가 자신의 영토로 팔꿈치가되는 것을 방지합니다. 프리 로딩 세포가 에너지 및 귀중한 영양소 자원의 비용으로 생산 된 세포 외 매트릭스의 이점을 얻지 못하도록하기 위해 일부 박테리아 종은 매트릭스 분자에 부착하여이를“민영화”합니다. 바이오 필름의 미생물은 바이오 필름의 위치와 유전 적 배경에 따라 다른 작업을 전문화 할 수 있습니다. 가장자리에있는 세포는 식품을 습득하고 포식자를 막는 데 중점을 두는 반면, 핵심에있는 사람들은 종종 쫓아 내고 매장량을 제공합니다. 내부의 세포는 또한 자원을 공유하는 것과 경쟁하는 것 사이의 미세한 선을 걷습니다. 이러한 모든 상호 작용의 성공 또는 실패는 바이오 필름이 성장하는 역동적 인 물리적 환경의 정확한 세부 사항에 크게 의존하며, 이는 미세 척도에서 크게 변화 할 수 있습니다.
Coyte는 결과는 순수한 문화에서 자라는 박테리아와는 다르게 보이고 작용하는 복잡한 협동 조합이라고 말합니다. "우리는 페트리 접시에서 박테리아 진화에 대한 생각의 습관을 가지고 있습니다. 즉, 물리학을 기반으로 한 선택 압력에 중요한 요소가 누락된다는 것을 의미합니다."라고 그녀는 말했습니다.
최초의 바이오 필름 연구자들은 독일 마르 부르크의 Max Planck Microbiology의 생물 물리학자인 Knut Drescher에 따르면, 그들의 미생물 공동체의 화학 환경에 더 집중했다. 지난 5-10 년 동안, 현미경 공학 및 고해상도 현미경의 발전은 과학자들이 개별 세포에 작용하는 물리적 힘을 측정하고 실험실에서 다양한 환경 조건을 복제 할 수있게 해주었다.
“바이오 필름이 어떻게 자라는 지 이해하려면 개별 세포를보아야합니다. 그 결과 구조와 생리학은 이러한 상호 작용에서 발생합니다.”라고 Drescher는 말했습니다.
성장하는 바이오 필름에 영향을 미치는 물리적 힘에 대한 최초의 실험조차도 기존 아이디어에 도전했습니다. 미세 유체 칩은 영양소의 분포와 결과 바이오 필름의 형태를 제어했기 때문에 미생물이 부착 된 표면의 질감과 모양이 누구라고 생각했는지보다 훨씬 중요하다는 것을 보여 주었다. 마찬가지로, 빠르게 흐르는 물은 유체 역학적 전단력이 느슨한 세포를 떠날 수 있기 때문에 바이오 필름의 형성을 방해 할 수 있습니다.
.그러나 연구원들은 예외를 발견했습니다. 2008 년, 워싱턴 대학의 바이오 공학자 인 웬디 토마스 (Wendy Thomas)는 일부 균주를 보여 주었다. coli Fimbriae라고 불리는 프린 셀러와 같은 부착 스레드를 발전시켜 더 끔찍한 흐름보다 빠르게 흐르는 물에 더 잘 부착됩니다. 다른 박테리아는 다른 유형의 세포 외 매트릭스를 생성하여 많은 양의 유체 역학적 전단이있는 영역에서 우수한 고정 강도를 제공합니다. 연구자들이 더 많은 물리적 변수 층과 생물학적 반응을 관련성으로 인식함에 따라 그림은 더 복잡해집니다.
이 복잡성은 많은 박테리아의 실제 행동을 이해하는 데 필수적입니다. 박테리아 Pseudomonas aeruginosa, 을 고려하십시오 면역 저하 된 개인의 생명을 위협하는 감염을 유발할 수 있으며 인공 호흡기 및 카테터와 같은 의료 장비에 탄력적 인 바이오 필름을 형성 할 수 있습니다. e처럼. coli , pseudomonas 균주는 그들이 만드는 매트릭스 분자의 유형이 다릅니다. 2017 년 1 월 Bassler, Drescher와 동료들은 간단한 환경에서 매트릭스를 생성하는 균주가 항상 생산되지 않은 사촌들을이기는 것으로 나타났습니다.
그런 다음 과학자들은 환경을 더욱 복잡하게 만들어 곡선 또는 분기를위한 간단한 선형 구조를 대체했습니다. 이 뱀 네트워크는 교통 문제를 일으켰으며, 이는 모든 개발 지역에 공통적 인 통증이 증가했습니다. 처음에 연구원들은 매트릭스 생산 pseudomonas 을 발견했습니다 연속적인 물의 흐름에도 불구하고 표면에 달라 붙을 수 있기 때문에 이웃을 능가했습니다. 그런 다음 문제가 시작되었습니다. 매트릭스 생산자의 생물막은 너무 커져서 자체 물과 영양분의 흐름을 차단하여 매트릭스 생산 상대와 경쟁하지 않고 매트릭스가없는 세포가 성장할 수있는 완벽한 유동 틈새를 제공합니다. 따라서 물 흐름 및 표면 미세 구조는 슈도모나스의 다른 균주를 허용했습니다 결과 바이오 필름을 지배합니다.
Drescher의 실험실의 선임 과학자이자 올해 엘리에 엘리에 에 발표 된이 작품을 설명하는 새로운 연구의 첫 번째 저자 인 Carey Nadell에 따르면“다른 균주 나 박테리아 종은 같은 도시의 다른 분위기와 비슷한 유형의 상호 작용을 가지고 있습니다. .
바이오 필름의 성장에서 인종이 항상 신속한 것은 아닙니다. 국립 과학 아카데미의 절차에서 코이테의 연구 더 온화한 성장이 얼마나 복잡한 환경에서 장기적인 성공을 거둘 수 있는지 살펴 보았습니다. 수학적 모델 Coyte는 가설을 뒷받침하여 더 탐구하기 위해 많은 바이오 필름의 토양 서식지를 모방 한 미세 유체 칩을 만들었습니다. 그녀는 e의 두 균주 각각을 태그했다. coli - 바이오 필름으로 빠르게 성장한 것은 빠르고 천천히 자체 형광성 마커를 사용하여 현미경으로 식별합니다.
그녀와 그녀의 동료들이 관찰 한 것은 낮은 흐름의 조건에서 느리게 성장하는 긴장이 번영했다는 것이었다. 흐름 속도가 높을 때, 두 품종 모두 종종 씻겨 지지만 빠르게 성장하는 균주는 다른 위치를 식민지화하기 위해 다운 스트림 세포를 분산시키는 데 더 성공적이었습니다. 중간 흐름 속도에서 결과는 더 복잡했습니다. 빠르게 성장하는 e. coli 바이오 필름은 두껍게되었고, 물과 영양소의 흐름을 느리게 성장하는 형제로 이동했습니다. 그러나 그 이점은 반드시 영구적이지는 않았다. 느리게 성장하는 사람들의 두께가 물의 움직임을 막기 시작했기 때문에, 이점은 때때로 빠르게 성장하는 변형으로 되돌아 갈 수있다. 균주들 사이의 이러한 안정화는 바이오 필름의 전반적인 성장을 완화 시켰지만, 두 균주는 계속 성장하고 세포를 분산시켰다.
“이전 연구는 설명 적이었습니다. 그들은 충분히 정량적이지 않았습니다. 싱가포르 Nanyang Technological University의 미생물학자인 양 리앙 (Yang Liang)은 미생물학에 대한 코이테와 나델의 연구에 대한 검토를 공동 저술 한 양 리앙 (Yang Liang)은 말한다. 표면 구조 나 물 흐름의 작은 교대조차도 미생물이 번성하는 미생물이 변경 될 수 있습니다.
항생제는 많은 유형의 분산 감염과 싸우는 데 놀라운 일을 해왔지만 바이오 필름으로 자라는 박테리아는 훨씬 덜 취약하고 훨씬 탄력적입니다. 바이오 필름에 더 강력한 항생제를 던지는 데 수십 년이 지났는데, 그들로부터 죽음의 수를 막을 수는 없었습니다. 마이크로 스케일에서 이러한 박테리아 도시를 제어하는 생물 물리적 규칙에 초점을 맞추면 과학자들은 도시 스프롤을 멈추고 더 많은 인간에게 싸우는 기회를 줄 수있는 방법을 줄 수 있습니다.
