研究发现金黄色葡萄球菌的表面粘附能力在细胞包膜上分布不均匀

　　金黄色葡萄球菌引起的感染对人类健康有重大影响，每年有成千上万的医院病人死于金黄色葡萄球菌“超级细菌”感染。阻止像金黄色葡萄球菌这样的细菌的传播不仅需要开发新的抗生素，而且还需要更好地了解这些细菌是如何附着在表面上的，以及它们从哪里进入人体。在医院，可能感染金黄色葡萄球菌的表面包括导管和植入物。

　　萨尔大学的Karin Jacobs教授和萨尔大学医学中心的Markus Bischoff教授领导的一个研究小组开发了一种创新的方法，使他们能够解开细菌粘附的秘密。他们的研究发表在《软物质》杂志上。

　　通过一种被称为单细胞力谱(SCFS)的技术，将一个活细菌附着在一个叫做悬臂的微小的弹簧状尖端上。然后将附着细菌的悬臂轻轻压在表面上。悬臂随后缩回，并测量将细菌从基质上分离所需的力。所涉及的力只有几纳米牛顿——相当于一块巧克力重量的十亿分之一。

　　该小组早期的研究表明，细菌和底物之间的接触面积直径为150-300纳米，即大约在金黄色葡萄球菌细胞直径的三分之一到六分之一之间。因此，关于附着力的结论只能在这个有限的范围内得出。

　　在本研究中，细菌没有被放置在平面基底上，而是放在正弦波纹表面上。通过记录这个“褶皱”表面上的力-距离曲线，研究人员能够绘制出几乎整个细菌下半部分的附着力强度。衬底由德累斯顿工业大学的研究伙伴提供。

　　结果是惊人的。研究发现，不同细胞之间的粘附力差异很大，因为粘附力在细菌细胞包膜上的分布并不均匀，而且每个细菌都被悬臂固定在皱褶表面的特定固定位置。

　　为了更好地理解这些高度粘附的斑块的性质，迈克尔·克拉特博士开发了许多细菌表面的几何模型，以找到最符合实验力-距离曲线结果的模型，该曲线显示了将细菌从基质上分离出来所必须施加的力。证明最能重现实验结果的模型有三到六个粘附位点，每个粘附位点的直径约为250纳米，它们尽可能广泛地分布在细胞包膜上。

　　实验还表明，即使在没有高度粘附斑块的情况下，表面最小值(“山谷”)记录的粘附力大约是周围区域的两倍。值得注意的是，当细胞移出山谷时，附着力下降的速度有多快。为了更深入地了解实验数据，Erik Maikranz博士进行了数值模拟(“蒙特卡罗模拟”)。

　　模拟结果表明，将细胞从表面分离所需的力不仅取决于细菌与表面的接触面积，而且还受到细菌与基质之间粘附力作用角度的强烈影响。

　　这个角度取决于细菌在波纹表面结构上的确切位置。如果它位于一个峰值(“表面最大值”)上，接触面积很小，因此将细菌从表面分离所需的力通常也很小，除非表面的峰值恰好与细菌的一个高度粘附的斑块接触。

　　如果金黄色葡萄球菌位于谷壁的一侧，则接触面积较大，但在这种情况下相互作用的角度也较大，因此作用于细胞与底物之间的粘附力的垂直分量仍然较低。SCFS测量的是附着力的垂直分量。当细菌位于“谷底”时，分离力要大得多。在这个位置，由于细菌和山谷的曲率匹配，接触面积很大，但现在相互作用的角度又小了，所以大部分的附着力是垂直作用的。

　　因此，saarbrcken的研究结果提供了一种见解，即为什么相同种类的细菌在相同的基质材料上所表现出的粘附力在细胞之间会有如此大的差异。使用这种新方法，现在不仅可以指定附着力的典型值，还可以指定这种力在细菌细胞表面上如何变化以及结构底物如何影响附着力。

　　然而，这些局部增加的粘附力是如何在细菌细胞壁高度粘附斑块的分子水平上产生的，这个问题还没有完全解决。部分原因可能是由于黏附素簇的存在，黏附素是细胞表面上促进细菌粘附到底物的成分。对于像金黄色葡萄球菌这样的细菌，这样做的优点是可以产生非常粘连的表面，而不需要病原体进行大量的生物合成努力。

　　如果这种高粘性的贴片与基材表面接触，细菌“粘”在表面的概率就会增加。这对于即使在低流量条件下也能在底物表面“滚动”的球形细菌尤其有利。这将增加其中一个强粘附位点与底物接触的机会，从而将细菌固定在表面。

　　这种优势在活的底物表面上可能会被放大，因为细菌可以停靠在宿主组织或生物材料表面的配体上，从而实现特别强的相互作用。

　　这项基础研究的发现对新材料的开发和未来细菌粘附研究的设计具有潜在的重要意义。它们还为生物医学研究领域开辟了新的可能性，并最终有助于显著减少导尿管和医疗植入物引起的感染。