Science：开启攻击细菌性疾病的大门

    来自加州大学伯克利分校的研究人员开发了一种灵敏的新成像技术揭示了生物膜（biofilms）结构的一些细节，从而打开了攻击如霍乱、囊性纤维化患者肺脏感染以及甚至慢性鼻窦炎等因形成生物膜而产生抗生素耐药性的大量细菌性疾病的大门。相关论文发布在7月13日的《科学》（Science）杂志上。 

细菌并非独来独往

Berk说人们对于细菌的普遍看法认为它们是自由生存的生物体，抗生素极易控制它们。然而现在科学家们意识到细菌是在群落或生物膜中度过大部分的生活，甚至在人体内。单一的细菌有可能对抗生素敏感，生物膜的抗药性要强1000倍，大部分只能采用手术切除、

如心脏起搏器、支架以及人工关节等移植物，偶尔会被形成生物膜的细菌感染。这些生物膜位点周期性脱落细菌，Berk将它们称之为冒险者会激发急性感染和发烧。虽然抗生素可以清除这些自由游动的细菌，暂时压制感染，生物膜仍然未受到损害。唯一的解决办法就是移除细胞膜覆盖的装置，用新的消毒的移植物取而代之。

鼻窦中持久的细菌生物膜可以激发免疫反应导致慢性鼻窦感染，表现为发烧、感冒样症状。到目前为止，最有效的治疗就是手术切除感染组织。

细菌还可以在囊性纤维化患者充满粘液的肺脏中形成持久的，大部分是终身的生物膜，是导致早期死亡的慢性肺部感染的重要原因。尽管长期的抗生素治疗有帮助，但它们不能完全根除感染。

为了研究霍乱菌形成的生物膜，Berk在朱棣文的前博士后学生、现为哈佛大学教授庄小威（Xiaowei Zhuang）2007年的一项设计的基础上，在加州大学伯克利分校的地下室中构造出了他自己的超分辨率显微镜。为了在这些细胞分裂形成“城堡‘过程中确实地观察它们，Berk设计了一种称为连续免疫染色的新技术，使得他能够借助4种单独的荧光染料追踪4个目标分子。

他发现在一段大约6个小时的时间内，单个细菌铺设了一种蛋白质胶让自身附着到了表面，随后它们分裂形成子细胞，同时分泌蛋白质使得子细胞彼此粘结。子细胞继续分裂至它们形成群落，就像一个砖头和灰泥构成的建筑物，此时细菌分泌一种蛋白质与糖分子一起就像一座建筑物的外壳一样包裹着群落。

Berk说这些群落被微通道隔开确保营养物和废物进出。

Berk说：“如果我们能够找到一种药物除去这种胶水蛋白，我们就能够整个移除这一建筑物。或是如果我们能够除去粘结蛋白，我们就可以瓦解一切，使建筑物倒塌，为抗生素提供通道。在未来这些可能是位点特异性的抗生素药的靶点。”

超分辨率显微镜：用光作画

Berk是一位在物理和光学方面接受过培训的生物学家，擅长对蛋白质结构成像：几年前一个研究小组确定了核糖体的原子级结构，他是其中的成员。

他认为功能强大的新型超分辨率光学显微镜能够揭示生物膜的未知结构。相比于标准光学显微镜，超分辨率显微镜的分辨率要高10倍，为20个纳米，通过采用可切换照片荧光探针一次加亮图像的一部分，将成千上万的图像编译为单个快照。这一过程很像是用光画画，将手电筒光束照在黑幕上，将相机的快门打开。每张快照可能需要几分钟的时间来编译，但对于缓慢的细胞生长，这足以快到捕获静态影像。

问题在于如何用荧光染料标记细胞以连续监控它们的生长和分裂。通常，生物学家们将一抗附着到细胞上，然后用附着荧光染料的二抗浸没细胞结合一抗。之后再冲去多余的染料，照射染色细胞并拍下荧光图像。

Berk认为精密平衡浓度的荧光染色（低至足以防止背景，高至可有效染色）也能发挥作用，从而不需要因为担心背景发光而冲洗多余的染料。

Berk 说：“经典的方法是首先染色，然后脱色，在拍摄单幅快照。我们发现了一种途径在成像时可在溶液中完成染色并保留所有的荧光探针，因此我们连续地监控了一切，从单个细胞一路到成熟的生物膜。不只是一张快照，我们正在记录整个影像。”

他说：“这是一个非常简单、很酷的想法，所有人都认为它很疯狂。是的，它是疯狂，但它发挥了作用。”