1881年,爱丽丝·C·埃文斯出生于宾夕法尼亚州的一个农场。她一生致力于研究乳制品中的细菌。在职业生涯早期,爱丽丝确信大多数细菌在其生命周期中表现出多细胞行为。彼时,细菌生命周期中观察到的形态变化使科学家们感到困惑。1928年,作为美国微生物学会的首位女性会长,爱丽丝致信科学界:“当单细胞生物成群生长时……个体细胞相互影响和保护。”她接着说:“细菌学家无需感到羞愧……承认他们认为是不同属的形式其实是同一种物种生命周期中的不同阶段。”近100年后,秦等人实现了解读生物膜中细胞动力学的重大突破。生物膜是通过分泌基质成分粘附在表面和彼此上的微生物群体。在此期间,微生物学家发现许多细菌会组织成群体。这使得细菌细胞能够集体实现单个细胞无法实现的目标,从而为个体带来选择优势。多细胞行为帮助细胞迁移、抵抗抗生素治疗和保护自己免受捕食者的侵害。近年来,微生物学家通过研究单细胞基因表达、增长速率调控和细胞间相互作用,以及开发工具研究整个细菌生物膜的形态和生长,开始解开这些多细胞行为背后的机制。

一个多细胞聚集体始于单个创始细胞,最终发展成成熟的生物膜。尽管取得了实质性进展,科学家仍缺乏对细菌细胞如何编程以构建多细胞结构的详细理解。每个细胞都会根据其局部环境做出分裂、移动、分泌化学物质、施加力量或表达细胞外基质成分等个体决策。而局部环境又由所有细胞的集体决策决定,并在三维空间中随时间演变。破解细胞如何编程生成成熟功能性生物膜的主要挑战在于缺乏实验工具来研究单个细胞的动态如何驱动生物膜的形成和结构。


在他们的精妙研究中,秦等人开发了双视角光片显微镜,重建了由单个创始细胞启动的三维霍乱弧菌生物膜中的单细胞轨迹。这种方法通过荧光标记细胞点,实现了生物膜中各向同性的单细胞分辨率,并且光漂白现象比以往方法少得多。这一进展使得作者能够在生物膜发育所需的16小时内,每隔3分钟同时成像10,000个霍乱弧菌细胞。频繁的成像使得追踪微米大小细胞的轨迹成为可能,从而前所未有地观察到单个细胞在生物膜发育过程中的行为。


测量结果揭示了个体细胞行为的质变,即随着生物膜的发展,布朗运动转变为弹道运动。这一转变对应于集体生长的新阶段,当生物膜整体开始垂直扩展远离基底时。在这一阶段,细胞表现出两种轨迹类型:一些细胞向外弹道扩展,而另一些细胞则被困在基底。总体上,这些轨迹产生了集体喷泉状流动,将一些细胞运送到生物膜前沿,同时绕过被困在基底的细胞。这种喷泉状流动允许生物膜快速横向扩展。


细胞追踪使秦等人能够精确量化不同细胞的动态,同时评估这些动态在过度产生基质成分的突变细胞中的差异。为了解释结果,作者构建了一个生物膜扩展力学的数学模型,平衡生长与基底摩擦。通过模拟不同表面摩擦并将预测的细胞运动与观察到的细胞运动进行比较,秦等人解释了观察到的行为,只要细胞与表面之间的摩擦是主要因素。这项关于霍乱弧菌的研究提供了一个激动人心的见解,即如何从单细胞水平上运行的过程产生集体行为。用革兰氏阴性细菌物种发现的机制可能在其他细菌类型中普遍存在。例如,这项研究中观察到的生物膜扩展的质变在其他细菌生物膜中有类似现象。对于革兰氏阳性细菌枯草芽孢杆菌,一个细胞双稳态开关触发的菌落扩展质变中,表达鞭毛的细胞产生细胞外基质。与基质生产相关的渗透压驱动菌落扩展。


更广泛地说,这项研究展示了成像技术和计算机视觉的巨大潜力,有助于解开集体行为如何从单个细胞的活动及其相互作用中产生。然而,生物膜内部还有更多尚未被发现的动态。更全面的信息将使研究人员不仅能重建细胞的运动,还能揭示它们的表型状态。之前对枯草芽孢杆菌的研究中,通过荧光标记基因成分显示了各种细胞类型的详细空间排列,细胞在生物膜的不同部分执行不同的生物功能。


我们只能假设在这项研究揭示的美丽喷泉中存在着多样的细胞类型和功能。对细菌多细胞行为的更深入理解将提高我们治疗细菌感染、控制自然细菌群体并为特定目的设计合成细菌群体的能力。


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