这项研究通过全新的荧光标记技术，高分辨率揭示了霍乱弧菌生物膜在单细胞水平上的扩散模式。这一发现不仅拓展了人类对细菌群体行为的理解，也为感染控制和工业应用提供了新的研究方向。
生物膜是细菌在自然界中形成的多细胞群落，通过附着在表面并分泌保护性基质，它们能够集体抵抗环境威胁并高效获取营养。这种特殊的生活方式使得生物膜成为临床感染的主要挑战之一。无论是慢性伤口中的细菌，还是水处理设施中的污染源，生物膜都以其强大的生存能力和扩散性令人头痛。生物膜扩散是细菌在环境中传播和扩展的关键过程，但由于传统研究方法的局限性，科学家对这一过程的单细胞行为和动态机制知之甚少。
为了突破这一瓶颈，研究团队开发了一种基于荧光原激活蛋白（FAP）的新型标记技术。这种技术可以克服传统荧光蛋白在缺氧等生物膜环境下功能受限的缺点，通过结合远红外荧光探针，实现了对生物膜发展的长期观测。研究人员将FAP基因整合至霍乱弧菌的基因组，并结合尖端的旋转盘共聚焦显微镜技术，成功以单细胞分辨率记录了生物膜扩散的全过程。
研究发现，霍乱弧菌的生物膜扩散从外周区域开始，扩散的早期阶段表现出显著的空间异质性。核心细胞的扩散在扩散过程的后期逐渐发生，而大约25%的细胞在扩散完成后仍然保留在生物膜核心中。这一现象表明，某些细胞可能由于物理限制或特殊的生理状态被留在原地。这些残留细胞是否保留了生物膜生活方式的优势（如对威胁的保护能力）以及它们是否能在适宜的环境中重新形成群落，仍是未来研究的重要方向。更有趣的是，研究揭示了生物膜扩散的机械属性对细胞运动的显著影响。随着细胞的离散，生物膜整体结构表现出一定程度的压缩，未扩散的细胞向核心移动以填补扩散留下的空间。同时，生物膜中还存在一些“动态区域”，这些区域的细胞表现出更高的运动活性，成为扩散的“热点”。研究团队推测，这种动态异质性可能与生物膜基质的局部机械特性有关，也可能反映了不同细胞亚群在基因表达或生理状态上的差异。
为了进一步探究特定基因对生物膜扩散的影响，研究人员分析了三种扩散缺陷突变株（ΔcheY、ΔlapG和ΔrbmB）。这些基因分别与细胞游动方向、细胞-细胞连接以及生物膜基质降解有关。结果显示，这些突变不仅显著降低了扩散效率，还改变了扩散的空间模式。例如，ΔlapG突变株的细胞仅限于外周区域扩散，而核心区域的细胞无法释放。此外，ΔrbmA突变株的研究揭示，细胞-细胞连接的破坏会导致生物膜的完全扩散，同时丧失了野生型中的动态区域和结构压缩特性。
这一研究不仅为生物膜扩散机制提供了全新的见解，还展现了基于FAP技术的广泛应用潜力。这种标记技术已被验证可用于其他重要的生物膜形成菌种，如大肠杆菌和铜绿假单胞菌，为未来在复杂微生物群落中的应用铺平了道路。研究团队相信，通过进一步优化这一技术，可在活体动物中精确研究微生物群落的时空分布，从而为感染治疗、环境修复以及工业污染控制带来新机遇。
这项研究的意义深远，不仅为微生物生态学提供了新的工具和理论框架，也为解决生物膜相关的公共健康问题和工业难题带来了希望。科学家计划在未来的研究中，进一步探索扩散残留细胞的生理特性，以及多物种微生物群落中的扩散行为，以推动对复杂微生物生态系统的全面理解。
