生物膜——黏稠的细菌群落——生长在各种各样的表面：从冰川和温泉到植物根部，从你的浴缸和冰箱，到伤口，再到医疗设备，比如导尿管。大多数生物膜是由多种细菌组成的，但这些细菌是如何生活在一起的还不清楚。
达特茅斯大学的科学家们在《当代生物学》杂志上发表了一项新研究，通过实验和建模来深入研究三种生物膜细菌是如何共存的，以及它们什么时候会独立出来。
铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是一种已知具有抗生素耐药性的多用途病原体，在其他两种细菌中占主导地位。但是，当表面变得过于拥挤时，物种会迁移到寻找更绿的牧场，而不是留下来与同居者竞争。假单胞菌通过自己的努力，使整个细菌群落茁壮成长。
达特茅斯大学生物科学助理教授、通讯作者凯里·纳德尔说：“假单胞菌的传播行为使这三个物种能够共存，否则它们就无法共存。”“当你把生物膜看作一个群落时，这是第一个明确表明扩散具有非常重要的生态后果的案例。”
研究人员检查了一个由三种细菌组成的群落：铜绿假单胞菌、大肠杆菌和粪肠球菌。所有这些都表现为机会性病原体，并且经常从导尿管相关的尿路感染中分离出来，因此了解它们如何相互作用可以增强对这些感染的理解。
“我们想知道生物膜是如何支持物种或菌株的多样性的，因为我们知道细菌真的很擅长自相残杀，”第一作者雅各布·霍尔特说，他是纳德尔研究小组的研究生，领导了这项研究。“所以这是一个很大的动机——如果它们如此擅长这些对抗行为，它们如何在这些紧密联系的社区中共存？”
为了进行研究，研究人员在有利于生物膜发育的玻璃表面和混合良好的液体培养基中培养了这三种细菌。他们在每个环境中“播种”相同数量的每种细菌，然后使用荧光显微镜检查不同物种的相对丰度如何随时间变化。
在液体培养基中，铜绿假单胞菌在大约3天后蓬勃生长，完全超过了其他两种细菌。然而，在生物膜环境中，研究人员看到了一种非常不同的动态。
起初，粪肠杆菌和大肠杆菌的种群增长速度比铜绿假单胞菌快，但几天后，铜绿假单胞菌的种群迅速增加，并开始取代其他两个物种。然而，一旦生物膜变得密集拥挤，铜绿假单胞菌的数量就会减少，这使得其他两个物种得以反弹。此后不久，铜绿假单胞菌开始再次掌权，如此循环往复。
当研究小组测试了不同的理论模型来解释这些周期时，最好的模型出奇地简单。“基本机制非常简单，”霍尔特说。“当一个优势物种达到非常高的丰度时，它会选择性地将自己从系统中移除，从而允许其他物种留下来。”
为了验证这一假设，研究人员用一种缺乏分散能力的铜绿假单胞菌的基因工程突变株重复了这个实验。在这种情况下，生物膜完全由铜绿假单胞菌主导，反映了在液体培养中看到的结果，并支持了他们模型的发现。
纳德尔说，这些发现强调了在现实环境中进行研究的重要性。
“推动更多的生态现实主义很重要。你从混合良好的液体细菌培养中得到的推论通常不适用于生物膜环境，而生物膜环境在现实世界中更为常见，”他说。“它指出了在现实主义背景下研究这些社区的重要性。”
该团队计划在未来的研究中以这种现实主义成分为基础。霍尔特和纳德尔的下一个项目是在虾壳上培养霍乱弧菌，这种细菌会导致霍乱，而虾壳是细菌在海洋环境中经常生长的基质。
