微生物生物膜是由不同微生物组成的结构化聚集体，广泛存在于自然环境中。这些生物膜通过复杂的生态相互作用，展现出高度的自组织和空间结构。生物膜不仅对微生物在自然环境中的生存起到至关重要的作用，而且在许多领域，如医学、环境科学和工业等，影响深远。然而，生物膜中的化学物质对微生物的影响是复杂的，特别是某些化学物质在特定条件下会表现出“善”与“恶”的双重特性。本文的研究便是聚焦于此，探讨了氧化氮（NO）在微生物生物膜中的双面性。
本研究由芝加哥大学的Karna Gowda和Seppe Kuehn团队完成。研究人员以“Jekyll与Hyde”为隐喻，探索了NO在微生物生态系统中的双重角色。他们以革兰氏阴性菌——铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）为模型，通过基因编辑创造了两种菌株：一种可以将硝酸盐还原生成NO，称为“Pro”；另一种可以将NO进一步代谢为氮气（N₂），称为“Con”。这种设计让研究人员可以模拟NO在不同氧气条件下对微生物生长和生态相互作用的影响。
在厌氧条件下（缺氧环境），产生NO的“Pro”菌株和消耗NO的“Con”菌株形成了一种互利共生关系。Pro产生的NO虽然具有毒性，但Con能够利用NO生长，这种关系使得两者能够在厌氧条件下共同生存。这一相互依赖关系反映了NO的“善”的一面，即其作为一种电子受体帮助细菌在缺氧条件下进行能量代谢。然而，在有氧条件下，这种平衡被打破了。当氧气存在时，NO的毒性大大增加。研究人员发现，NO与氧气的结合会产生过氧亚硝酸（ONOO⁻），这是一种强氧化剂，会导致细胞损伤甚至细胞死亡。在这种情况下，产生NO的Pro菌株自身会因毒性受到极大损害，而必须依赖于Con菌株的帮助才能生存。这一现象揭示了NO的“恶”的一面，即在氧气存在时，其会对微生物造成毒害。
研究意义：
该研究表明，NO在微生物群落中的作用是高度情境依赖的。不同的氧气条件使NO表现出“善”与“恶”的两种特性，分别促进微生物的合作和破坏其平衡。这种双重特性不仅解释了微生物生物膜的复杂性，也为我们理解生态系统中的其他双面分子提供了参考。
启发微生物生态系统的研究与应用
研究展示了NO在生物膜空间结构形成中的重要作用。由于生物膜广泛应用于环境处理、工业过程和生物医学领域，该研究的发现可能有助于开发基于微生物生物膜的新型处理方法。例如，通过控制NO的产生或消耗，可以在特定条件下调控生物膜的形成或解散，这在清除感染性生物膜、处理污染等方面具有潜在应用。
揭示其他化学物质的双面性
研究提出了“善恶双面”的概念，并指出类似NO的双面性在微生物生态中并非孤例。例如，抗生素在低浓度时并非仅具有杀菌作用，还能促进微生物的细胞通讯。这样的发现揭示了传统认知之外的化学物质功能，为微生物生态学研究带来了新方向。
本研究将NO的“善恶双面性”作为主题，通过实验揭示了其在微生物生物膜中的独特作用。这项工作不仅拓宽了科学界对微生物生物膜的理解，也为未来研究NO在自然微生物群落中的作用提供了新的视角。这项研究从微生物生态系统的复杂性出发，进一步说明了如何通过探讨化学物质在微生物生长中的双重角色，揭示生态系统中化学分子的广泛影响力。
