【LorMe周刊】生物膜中细菌-噬菌体共存之道
作者：陆春霞，南京农业大学硕士在读。主要研究青枯菌与噬菌体的共进化。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍生物膜中噬菌体和细菌共存的核心决定因素。原文于2017年发表在《The ISME Journal》上。
许多细菌习惯于附着在表面并建立复杂的群落，该结构称为生物膜。在细菌生态学中，生物膜的生活方式占主导地位。因此在探究细菌-噬菌体的互作过程中，噬菌体和细菌生物膜的研究不可避免。目前还不清楚噬菌体及其宿主的生态动力学如何依赖于生物膜环境的生物和物理特性。为了在这一领域取得突破，作者开发了一个生物膜模拟结构，该结构能够捕捉生物膜生长和噬菌体感染的关键机制性特征。基于这些模拟，发现生物膜和噬菌体之间相互作用的平衡状态很大程度上取决于生物膜的营养可用性、每次与宿主相遇感染的可能性和噬菌体通过生物膜群体扩散的能力。因此，生物膜基质和噬菌体颗粒之间的相互作用可能是至关重要的，控制了细菌和噬菌体在自然环境中共存的程度。该结果为空间结构生物膜环境中宿主-噬菌体共进化和水平基因转移的新问题开辟了道路。
噬菌体-生物膜互作结构
图1为开发的用于研究生物膜-噬菌体相互作用的结构。与以前的模拟结构相比，它能监控噬菌体的感染、繁殖和扩散。为了模拟噬菌体在离开前一感染部位后遇到预生生物膜，该结构使生物膜生长一段特定的时间，然后将单个噬菌体脉冲引入系统。在这个脉冲期间，噬菌体沿着生物膜前沿被添加到模拟空间。对于每个位于含有细菌生物量的网格节点中的噬菌体，计算了吸附到宿主细胞的概率，这是感染率和网格中易感宿主数量的函数节点。吸附过程中，相应的细菌生物量从未感染状态转化为感染状态，在一个潜伏期之后，宿主细胞裂解并释放出具有特定爆发大小的子噬菌体。在图1例中，生物膜种群最终基本被完全消灭。
图1 模拟生物膜生长和噬菌体感染的时间序列示例
模拟空间的水平尺寸为250微米长，噬菌体在1.5天时被引入生物膜。噬菌体感染沿着生物膜前沿扩散，导致生物量侵蚀。对于未感染和感染的生物量(分别为红色和蓝色)，颜色梯度按比例调整到每个网格节点的最大允许生物量。对于噬菌体，黑色梯度在这次模拟中被缩放到最大噬菌体浓度。任何从生物膜扩散到周围液体中的噬菌体都被认为是在下一个循环中从系统中平流出来的。
生物膜-噬菌体互作的三大稳定状态
首先通过改变细菌生长相对于噬菌体增殖的相对大小来研究模拟的行为。通过这种方式，观察到细菌-噬菌体群体动态中的三大稳定状态类别(图2)。第一种(图2a)是生物膜死亡，即噬菌体迅速增殖，细菌生长无法补偿，导致生物膜群体清除(此后噬菌体停止增殖)。第二种(图2b)是细菌和噬菌体共存，即细菌和噬菌体群体保持相对固定的群体大小(绿线)，以及细菌和噬菌体群体随着大生物膜簇的生长、脱落和重复生长而振荡(黑线)两种共存模式。第三种(图2c)是噬菌体灭绝和生物膜存活。在许多情况下发现噬菌体种群在生物膜相对较小时灭绝，允许少量剩余细菌在其后不受阻碍地生长。同时通过对过程的揭示,发现向何种状态转化依赖于噬菌体在生物膜上的扩散能力。
图2 生物膜细菌和噬菌体的种群动态。对于每个示例模拟，细菌生物量绘制在粗虚线(左轴)中，噬菌体生物量绘制在细实线(右轴)中。
噬菌体扩散率是控制生物膜中种群动态的关键参数
为了系统地探索这一模拟结构，使用初步模拟来选择对生物膜-噬菌体种群动态结果有显著影响的控制参数，共分离出了环境养分浓度Nmax、噬菌体感染概率、噬菌体在生物膜中的相对扩散率三个主要影响噬菌体感染如何通过生物膜传播的关键参数。同时对结构的初步模拟还表明生物膜内噬菌体的相对扩散率，可能是噬菌体-细菌种群动态的关键。据此引入了参数Zp(噬菌体阻抗)来研究噬菌体在生物膜内的运动对噬菌体感染动力学的影响。
图3显示了营养物浓度对三个噬菌体阻抗值的噬菌体感染性的扫描。首先考虑了噬菌体在生物膜内扩散不变的极端情况(Zp= 1)，在该条件下，不会发生共存，细菌群体也无法在噬菌体暴露下存活，除非感染概率几乎为零，或者如果营养素利用率太低，几乎不可能有细菌生长(图3a)；当噬菌体在生物膜内的扩散率相对于周围液体降低时(Zp= 10)，生物膜上的细菌在更大范围的噬菌体感染概率下存活(图3b)；随着噬菌体在生物膜中的扩散率进一步降低(图3c)，在更广泛的营养物和传染性条件下会发生共存，生物膜上的细菌更有可能在噬菌体暴露下存活。有趣的是，对于Zp= 15，生物膜存活和噬菌体灭绝的参数范围大幅扩大。对于Zp= 10和Zp= 15，还发现了细菌和噬菌体短暂共存的不稳定共存情况，但随时间推移，宿主或噬菌体种群随机减少至灭绝(图3d和e)。总的来说，系统趋向于参数空间中不同稳定状态的趋势可以通过测试的任何关键参数的适度变化来改变。
图3 生物膜的稳定状态—噬菌体种群动态是营养可用性、噬菌体感染率和噬菌体阻抗的函数。
作为噬菌体扩散率函数的群体稳定状态
通过以高分辨率改变噬菌体阻抗和确定对噬菌体/细菌稳定状态光谱的影响，系统地评估了噬菌体扩散率作为关键参数的想法。对于每个噬菌体阻抗值(Zp = 1–18)，对前节相同范围的营养可用性和噬菌体感染概率进行了参数扫描，并量化了导致生物膜死亡、噬菌体-细菌共存和噬菌体灭绝的模拟分数(图4)。随着Zp的增加，发现通过噬菌体灭绝或共存而导致生物膜长期存活的模拟比例增加。在大约Zp= 15时达到饱和的稳定态分布，总是呈现出细菌被噬菌体消除的模拟的一部分。这一结果在一定程度上取决于噬菌体在生物膜和周围液体界面上扩散的对称性。
图4 生物膜的分布—噬菌体群体的动态稳定状态是生物膜内噬菌体移动阻抗增加的函数。
次运行，总计96000次模拟。未确定模拟是指生物膜在任何其他出口条件出现之前达到模拟高度最大值的模拟。
本文用模拟的方法来研究生物膜环境如何影响细菌和噬菌体的微观种群动态，确定了影响噬菌体及其宿主细胞互作的关键特性，这些特性从根本上影响了细菌生物膜的种群动态，尤其发现了噬菌体扩散率在生物膜与噬菌体互作过程中这一关键参数。本研究中没有考虑噬菌体和细菌的共进化，然而共同进化无疑是重要的，预计生物膜环境将对其产生强烈的影响。生物膜中细菌-噬菌体共同进化的时间尺度和空间模式可能与液体培养有很大不同，这一领域有待进一步研究。总的来说，设想在生物膜环境的独特约束下研究细菌-噬菌体的相互作用将在微生物生态学的许多经典领域产生重要的影响。
论文信息
原名：Phage mobility is a core determinant of phage–bacteria coexistence in biofilms
译名：噬菌体移动性是生物膜中噬菌体-细菌共存的核心决定因素
期刊：The ISME Journal
IF2020：9.78
发表时间：2017.11
通讯作者：Vanni Bucci
通讯作者单位：马萨诸塞州达特茅斯大学生物系，生物技术和生物医学工程系