Emergent Biological Endurance Depends on Extracellular Matrix Composition of Three-Dimensionally Printed Escherichia coli Biofilms

緊急生物耐力取決于三維打印的大腸桿菌生物膜的細(xì)胞外基質(zhì)組成

來(lái)源： American Chemical Society Synthetic Biology 2021, 10, 2997?3008

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過(guò)3D生物打印技術(shù)構(gòu)建了具有可控胞外基質(zhì)組成的大腸桿菌生物膜模型，探究了生物膜基質(zhì)成分（纖維素與卷曲菌毛）對(duì)生物學(xué)耐受性（如消毒劑抗性）和空間氧分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

 

基質(zhì)成分決定耐受性：表達(dá)卷曲菌毛（Curli）的3D打印生物膜對(duì)乙醇和Virkon S消毒劑的抗性顯著高于僅含纖維素或不含基質(zhì)的生物膜（圖5）。

 

 

氧擴(kuò)散受限機(jī)制：卷曲菌毛的存在導(dǎo)致生物膜深層形成缺氧區(qū)（厚度達(dá)300-400 μm），模擬了天然生物膜的氧梯度特征（圖4）。

 

 

物理穩(wěn)定性：3D打印生物膜可逆附著于細(xì)菌纖維素、玻璃等表面，抗物理形變（折疊/扭曲后恢復(fù)原狀），具備工程應(yīng)用潛力（圖8）。

 

 

2. 研究目的

 

探究生物膜胞外基質(zhì)組成（纖維素與卷曲菌毛）如何影響其：

 

生物學(xué)耐受性（消毒劑抗性）；

 

空間氧分布模式；

 

物理穩(wěn)定性，為設(shè)計(jì)功能性生物材料（如益生菌涂層、生物修復(fù)材料）提供理論依據(jù)。

 

3. 研究思路

 

3D打印+基質(zhì)成分調(diào)控→表型分析：

 

菌株設(shè)計(jì)：使用三類大腸桿菌（表1）：

 

 

同時(shí)表達(dá)纖維素和卷曲菌毛（Cellulose?/Curli?）；

 

僅表達(dá)卷曲菌毛（Cellulose?/Curli?）；

 

無(wú)基質(zhì)成分（Cellulose?/Curli?）。

 

3D打印：定制生物墨水（海藻酸鈉+菌體），打印多層條紋結(jié)構(gòu)（圖3）。

 

 

表型檢測(cè)：

 

消毒劑抗性：乙醇/Virkon S處理后檢測(cè)存活菌落（圖5）；

 

氧分布：Unisense微電極測(cè)量生物膜內(nèi)部氧濃度剖面（圖4）；

 

物理穩(wěn)定性：附著能力與抗形變測(cè)試（圖8）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

（1）消毒劑抗性（圖5）

 

數(shù)據(jù)：Cellulose?/Curli?生物膜在70%乙醇處理下存活率最高（僅降低1.5-3 log），顯著優(yōu)于Cellulose?/Curli?（降低3-5 log）和無(wú)基質(zhì)組（降低5-6 log）。

 

意義：首次證明卷曲菌毛是消毒劑抗性的關(guān)鍵決定因子，而非纖維素。為設(shè)計(jì)抗消毒劑的工程生物膜提供靶點(diǎn)。

 

（2）氧分布剖面（圖4）

 

數(shù)據(jù)：Unisense微電極顯示：

 

Cellulose?/Curli?和Cellulose?/Curli?生物膜在200 μm深度處氧濃度降至0，形成厚缺氧區(qū)（300-400 μm）；

 

無(wú)基質(zhì)組（Cellulose?/Curli?）氧可滲透至底部（400 μm）。

 

意義：卷曲菌毛通過(guò)物理阻礙氧擴(kuò)散（非代謝消耗）創(chuàng)造缺氧微環(huán)境，模擬天然生物膜的生理異質(zhì)性。

 

（3）物理穩(wěn)定性（圖8）

 

數(shù)據(jù)：3D打印生物膜可逆附著于細(xì)菌纖維素、玻璃、聚苯乙烯表面，折疊/扭曲后恢復(fù)原狀。

 

意義：證明其作為可移植生物材料的潛力（如醫(yī)療設(shè)備涂層）。

 

5. 核心結(jié)論

 

卷曲菌毛主導(dǎo)耐受性：是消毒劑抗性的主要決定因素，纖維素可能削弱其保護(hù)作用。

 

缺氧區(qū)由基質(zhì)物理特性決定：卷曲菌毛通過(guò)限制氧擴(kuò)散（非細(xì)胞代謝）形成深層缺氧區(qū)。

 

3D打印生物膜的應(yīng)用潛力：可逆附著、抗形變特性支持其在益生菌涂層、生物修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)：

 

微電極氧傳感：50 μm尖端分辨率，實(shí)時(shí)測(cè)量生物膜內(nèi)部氧濃度梯度（方法部分）。

 

高空間精度：以50-100 μm步長(zhǎng)掃描剖面，精準(zhǔn)定位缺氧區(qū)邊界（圖4）。

 

關(guān)鍵科學(xué)貢獻(xiàn)：

 

揭示基質(zhì)物理屏障作用：

 

Unisense數(shù)據(jù)顯示：卷曲菌毛的存在使氧在200 μm深度驟降至0（圖4），直接證明其通過(guò)增加基質(zhì)密度（物理擴(kuò)散屏障）——而非細(xì)胞耗氧——導(dǎo)致缺氧。

 

量化生物膜生理異質(zhì)性：

 

測(cè)得Cellulose?/Curli?生物膜缺氧區(qū)厚度（400 μm）顯著大于無(wú)基質(zhì)組（0 μm），為“基質(zhì)驅(qū)動(dòng)氧限制”理論提供直接證據(jù)。

 

支撐耐受性機(jī)制：缺氧區(qū)與消毒劑抗性正相關(guān)（圖5），提示缺氧微環(huán)境可能是耐受性的誘因之一。

 

領(lǐng)域突破性價(jià)值：

 

克服傳統(tǒng)終點(diǎn)法（如切片染色）的破壞性局限，實(shí)現(xiàn)原位、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生物膜微環(huán)境；

 

為合成生物學(xué)設(shè)計(jì)仿生生物膜（如可控缺氧材料）提供定量?jī)?yōu)化參數(shù)。

 

注：Unisense電極是本研究的核心技術(shù)，其高分辨率數(shù)據(jù)首次將生物膜基質(zhì)成分與氧微環(huán)境、生物學(xué)耐受性三者定量關(guān)聯(lián)，為工程化生物膜的設(shè)計(jì)奠定了方法論基礎(chǔ)。