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基質(zhì)無(wú)處不在:胞外DNA是蠟樣芽孢桿菌浮游生活方式中生物膜和礦化之間的紐帶
更新時(shí)間:2023-03-13 熱度 141℃

  迄今為止,在生物膜形成的背景下,細(xì)菌細(xì)胞誘導(dǎo)的生物礦化機(jī)制仍然是密集研究的主題。在本研究中,我們分析了培養(yǎng)基成分對(duì)蠟樣芽孢桿菌細(xì)胞誘導(dǎo)CaCO3沉淀的影響以及在浸沒(méi)培養(yǎng)中形成的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的組成。在生長(zhǎng)過(guò)程中,細(xì)胞外多糖和淀粉樣蛋白的積累似乎與鈣和尿素的存在無(wú)關(guān),而細(xì)胞外DNA (eDNA)的積累以及碳酸鈣的沉淀則需要培養(yǎng)基中這兩種成分的存在。除去對(duì)DNase處理敏感的eDNA,不影響其他基質(zhì)成分,但導(dǎo)致細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)形成的破壞和沉淀產(chǎn)量減少了六倍。一項(xiàng)無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了添加外源鮭魚(yú)精子DNA后礦物形成的加速。在蠟樣芽孢桿菌浮游培養(yǎng)中觀察到的形成CaCO3礦物的途徑包括產(chǎn)生胞外多糖和帶負(fù)電荷的eDNA晶格,促進(jìn)局部Ca2+過(guò)飽和,再加上由于pH升高導(dǎo)致碳酸鹽離子濃度增加,導(dǎo)致碳酸鈣不溶性沉淀物的形成。在eDNA基質(zhì)上沉淀無(wú)定形CaCO3,然后通過(guò)acc -釩石-方解石/文石途徑形成晶體,并進(jìn)一步與細(xì)胞外聚合物物質(zhì)形成更大的礦物聚集物。綜上所述,我們的數(shù)據(jù)表明,細(xì)胞外基質(zhì)中的DNA是觸發(fā)蠟樣芽孢桿菌浮游培養(yǎng)生物礦化的重要因素。

  在過(guò)去的十年中,微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)過(guò)程受到了廣泛的關(guān)注。MICP*深入研究的應(yīng)用之一是開(kāi)發(fā)利用鈣化微生物恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)。在大多數(shù)情況下,微生物法已被開(kāi)發(fā)用于歷史石材建筑的修復(fù)1,2,其主要優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是對(duì)天然礦物形成的模仿,應(yīng)保證新形成的CaCO3礦物與建筑材料的良好相容性3,4,研究微生物誘導(dǎo)的生物礦化過(guò)程的重要性在與人類健康相關(guān)的領(lǐng)域也很明顯。在臨床實(shí)踐中,具有高脲酶活性的微生物,如奇異變形桿菌,可形成一種結(jié)膜生物膜,堵塞導(dǎo)尿管,常引起尿潴留和尿路上升感染,可導(dǎo)致膀胱炎、腎盂腎炎、膀胱結(jié)石、腎結(jié)石,甚至致命并發(fā)癥:敗血癥和內(nèi)毒素休克4。Seifan等報(bào)道了MICP在牙釉質(zhì)微裂紋修復(fù)中的應(yīng)用5。在所有情況下,細(xì)菌在這些過(guò)程中起著主要作用,因此,了解微生物誘導(dǎo)礦化的機(jī)制對(duì)于土木工程和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍然是決定性的。

  生物礦化*流行的假說(shuō)之一是在微生物膜上形成晶體。幾個(gè)研究小組報(bào)道了細(xì)胞代謝反應(yīng)過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)碳酸鹽離子的形成以及細(xì)胞外游離鈣離子的吸引,隨后在帶負(fù)電荷的細(xì)胞壁表面形成CaCO3沉淀,如文獻(xiàn)6所述。在這種情況下,晶體形態(tài)取決于許多因素:細(xì)菌細(xì)胞形態(tài)、環(huán)境成分以及物理因素(溫度、pH值和曝氣)7。Ghosh等人證實(shí)了這一點(diǎn),他們?cè)诎褪涎挎呋【?表面出現(xiàn)了納米級(jí)碳酸鈣晶體,支持了負(fù)電荷表面在晶體形成中起核心作用的假設(shè)。相比之下,Zhang等人聲稱,帶負(fù)電荷的表面并不是晶體沉淀的必要因素,細(xì)菌在這個(gè)過(guò)程中的作用更為復(fù)雜。Bundeleva等在對(duì)缺氧Rhodovulum sp.7的研究中,未觀察到在細(xì)胞表面和細(xì)胞附近有晶體形成。作者假設(shè)存在細(xì)胞對(duì)礦物沉積的保護(hù)機(jī)制,并提出了離細(xì)胞表面一定距離的晶體沉積的想法。Zhang等人8認(rèn)為,在初始階段形成球形核,然后根據(jù)生長(zhǎng)條件形成各種形狀的晶體結(jié)構(gòu)。CaCO3的非晶態(tài)相(ACC)顯然在這一過(guò)程中發(fā)揮了重要作用,是球形核的主要組成部分之一。


 

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