生物膜是细菌生存的主要形式，具有强大的适应性和抗药性。尽管许多研究指出生物膜的物理屏障作用在保护细菌免受抗生素影响方面的重要性，越来越多的证据表明代谢物的交换在促进生物膜的存活和抗药性中扮演了关键角色。文章采用定量微流控技术和空间多组学分析技术，研究了细菌从单细胞到生物膜的转变过程中在时空上生理变化的特征。通过对生物膜内外区域的细胞代谢活动进行分析，揭示了生物膜形成和扩展过程中的关键代谢变化。
1. 代谢物的空间结构化交换：研究发现，生物膜中的细菌在空间上存在显著的代谢分区，内外细胞通过代谢物的交换协同存活。生物膜内部的细胞由于营养不足而进入饥饿状态，这些细胞将氨基酸分泌到外部区域，供外部营养充足的细胞使用。生物膜外部细胞通过提供脂肪酸来帮助内部细胞修复膜损伤，特别是在抗生素处理时，脂肪酸有助于修复饥饿诱导的膜损伤，进而增强内部细胞的存活率和抗药性。
2. 生物膜内部与外部的代谢差异：随着生物膜的增大，外部和内部细胞的代谢活动发生显著变化。外部细胞的膜电位和能量代谢随着生物膜的增长而减少。这一变化与内部饥饿细胞的氨基酸供应有关，使外部细胞的代谢活动（如氨基酸合成）减少，从而降低了能量需求并提高了抗生素耐受性。内部细胞的营养匮乏，生物膜内部区域由于营养不足，进入了一种代谢活动较低的状态，但依然通过氨基酸分泌与外部细胞建立联系。
3. 抗生素耐受性增强机制。研究表明，随着生物膜的扩展，生物膜内外细胞代谢的分化有助于提高整体抗生素耐受性。小型生物膜中的抗生素敏感性较高。小型生物膜的细胞由于其高代谢活动和较高的膜电位，表现出较低的抗生素耐受性。大型生物膜的抗药性更强。当生物膜达到一定规模后，内部的营养匮乏区与外部的营养丰富区形成了代谢分工，增强了生物膜对抗生素的耐受性。例如，研究发现，生物膜越大，其对四环素的耐受性越强，并且在抗生素去除后，大型生物膜能够更快地恢复生长。
4. 脂肪酸在生物膜存活中的作用。文章还揭示了脂肪酸在内部细胞存活中的关键作用。内部细胞依赖外部细胞提供的脂肪酸：内部饥饿细胞由于营养不足，产生了更多的活性氧（ROS），导致细胞膜受损。外部细胞提供的脂肪酸能够修复这些损伤，帮助内部细胞在饥饿和抗生素压力下存活更长时间。当外部细胞的脂肪酸合成受到抑制时，内部细胞容易因为膜损伤而更快地死亡，导致整个生物膜对抗生素的耐受性降低。
5. 氨基酸的代谢调控作用：研究还发现，氨基酸不仅在代谢物交换中发挥重要作用，还在调控外部细胞的代谢活动中起到关键作用。外部细胞的氨基酸合成减少，更多依赖于内部细胞的氨基酸供应，这种调控机制进一步减少了外部细胞的代谢压力，从而增强了其对抗生素的耐受性。
6. 膜电位与抗生素积累的关系：文章进一步指出，细胞膜电位与抗生素在生物膜中的积累直接相关。通过使用膜电位传感器，研究显示，外部细胞的膜电位显著高于内部细胞，且随着生物膜增大，膜电位逐渐下降，这导致了抗生素在外部细胞中的积累增加，而内部细胞则通过较低的膜电位减少抗生素的积累，从而提高了抗药性。
这项研究通过详细的实验揭示了生物膜中不同区域细胞之间复杂的代谢物交换过程，以及这些交换如何通过减少外部细胞的能量需求和帮助内部细胞修复来增强生物膜的抗药性。这一机制不仅拓展了我们对生物膜抗药性的理解，还为未来的抗生素治疗提供了新的靶点和策略，如针对脂肪酸代谢或氨基酸交换进行干预。
