首次证实生物被膜中存在类似神经细胞的快递电信号传递

Galvani在18世纪首次发现“生物电”以来,科学家对真核生物尤其是神经系统的生物电进行大量系统的研究工作,并诞生一门新学科:电生理学。细菌是一类单细胞的原核生物,很长一段时间内科学界认为细菌间没有电化学信号传导,直至近年来发现细菌细胞间也能通过电信号传递进行通讯,表现出“高等生物”的群体效应。但目前发现细菌电信号主要是在无外界扰动条件下的细胞通讯,其传递激活相邻细胞时间长(hours)、速度小(< 1μm/s)。细菌广泛分布在多样性及动态变化的自然环境中,其对外界环境刺激的快速响应机制对细菌维持和生长至关重要,那么细菌中是否也存在与真核生物类似的快速电信号传递呢?该问题一直困扰学术界多年,其原因是缺乏合适的工具引入局部定点、快速、可控的刺激(例如:热,机械力)来激活细胞。
 
2020年2月14日,芝加哥大学田博之课题组在Science Advances 上发表Structured silicon for revealing transient and integrated signal transductions in microbial systems,设计不同尺度(从纳米级至微米级)光响应硅基材料可以将光能转化为细菌可以感受的热,因此通过激光照射硅材料即可向生物被膜中引入快速(毫秒水平)、局部定点(理论上可低至光衍射极限)和可控(精准控制刺激时间和强度)的热刺激,并结合能指示细胞内不同离子(例如:钙离子,钾离子)浓度动态变化的染料,首次实验证实生物被膜中存在类似神经细胞的快递电信号传递。
 
自然条件下,细菌有两种不同的形式:游离的单细胞和被胞外基质包裹的细菌群体—生物被膜。单个细菌通常只有几微米,而生物被膜可高达厘米级,本文研究人员通过设计不同尺度的硅基材料分别适配单细菌和生物被膜,同时硅基材料具有良好的光响应,可高效将光能转化为细菌可以感知的能量(热和(或)电),因此可应用于局部快速刺激细菌。
 
针对单细菌,研究人员设计并合成硅纳米线(直径约1 μm),首先通过膜片钳技术平台测量硅纳米线光响应,发现该纳米线主要产生光热效应: 1ms激光照射纳米线,刺激点附近(~ 5 μm)温度可迅速升高约4 K, 并迅速(6 ms内)降低至环境温度,因此硅纳米线可以对细菌进行快速、可逆的局部刺激。随后研究人员分析单细菌对硅纳米线响应,发现当1 ms激光照射在纳米线上,E. coli可以快速吸附到纳米线上,连续多次刺激可吸附多个细菌,实现单细胞操作。通过有限元分析(FEA)发现光热诱导温度梯度会产生流场,驱动细菌向刺激点靠拢,因此可应用操作不同微生物。实验证实,革兰氏阴性菌(E. coli)和革兰氏阳性菌(Bacillus subtilis)均可以被纳米线吸附,后期可应用研究无机材料和微生物细胞相互作用。
 
研究人员进一步分析生物被膜对快速、局部刺激的响应。将纳米线和B. subtilis生物被膜共培养并用Ca2+ 染料进行染色,当 1 ms激光照射纳米线,附近几个细菌迅速(< 0.263 s)激活胞内钙离子信号,以钙波的形式向周围传递激活相邻细胞,形成一个圆形的激活图案。分析发现,经过7.63秒,钙离子信号最终传递至距离照射点约26 μm的位置,传播速率约为8.3μm/s,与神经细胞中钙信号传导速率相当,首次通过实验证实细菌中存在类似神经细胞的快速电信号传递。
 
硅纳米线在单细菌水平实现单细胞操作,在生物被膜水平揭示细菌中存在快速电信号通讯,但一维(1D)硅纳米限制研究热激活Ca2+信号的机制。例如:光热诱导Ca2+信号是通过绝对温度(dT),温度变化速率(dT/dt),还是空间温度梯度(dT/dr)激活细菌的机制不清楚;但是一维硅纳米线诱导的光热效应,以上3个参数都在同一个点(激光照射纳米线的位置),因此无法区分哪一个参数起主导作用。因此研究人员设计2D微米硅片(厚度:2 μm;直径:10至80 μm),可加工成不同大小和形状。通过有限元分析(FEA)光热效应:当1 ms激光照射硅片圆心,圆心温度迅速上升,1.2 ms达到最大值,6 ms之后降至环境温度;圆心的绝对温度始终最高,而温度梯度(dT/dr)最高点在硅片边缘。通过硅片诱导光热刺激生物被膜时,是圆心附近细菌先被激活还是边缘附近的细菌先被激活呢?
 
研究人员实验发现,1 ms激光照射圆型硅片圆心,边缘附近的细菌瞬间激活钙信号,并向圆心和硅片外双向传递Ca2+信号,同时发现Ca2+激活图案与温度梯度(dT/dr)分布一致,以上结果说明温度梯度(dT/dr)更易激活细菌Ca2+信号,而非绝对温度(dT)。为进一步验证该推测,研究人员设计不同形状的硅片,均发现细菌对温度梯度(dT/dr)更敏感,Ca2+激活图案与其高度一致。
 
最后,研究人员还发现在钙离子信号传播的过程中,胞外基质中的钙离子快速进入胞内,可以降低生物膜局部机械强度,因此设计了厘米尺度的网格形状的硅膜,通过激光刺激与生物膜直接接触的硅材料,可以直接大面积破环生物被膜的完整结构,有利于抗菌药物渗透入生物被膜内部,因此该方法可潜在用于联合抗生素治疗来控制生物被膜感染。
 
综上,本研究通过应用光响应无机硅材料,首次实验证实微生物中存在类似神经细胞的快递电信号通讯,揭示生物被膜Ca2+信号动态变化与其机械强度密切相关。该研究进一步表明无机材料因其独特优势,在微生物学基础研究和应用研究方向极具潜力。
 
原文链接:
https://advances.sciencemag.org/content/6/7/eaay2760
1. Jiang Y., et al., Rational design of silicon structures for optically controlled multiscale biointerfaces. Nature Biomedical Engineering 2: 508-521. 2018.
2. Jiang Y, et al., Nongenetic optical neuromodulation with silicon-based materials. Nature Protocols 14: 1339–1376. 2019.
3. Arthur P., et al., Ion channels enable electrical communication in bacterial communities. Nature 527: 59–63. 2015.
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