生物膜(粘稠的细菌群落)生长在各种表面：从冰川和温泉到植物根部、浴缸和冰箱、伤口和导管等医疗器械。大多数生物膜由多种细菌组成，但这些细菌如何共存尚不清楚。
达特茅斯学院的科学家在《当代生物学》上发表了一项新研究，利用实验和模型深入研究三种生物膜细菌如何共存以及它们何时自行迁出。
其中一种细菌，即铜绿假单胞菌，是一种多用途的病原体，已知具有抗生素耐药性，在另外两种细菌中占主导地位。但是，当地表过于拥挤时，这种细菌会迁徙以寻找更绿的牧场，而不是留在原地与同居者竞争。通过独自出击，铜绿假单胞菌让整个细菌群落得以蓬勃发展。
“假单胞菌的扩散行为使得这三种菌种能够共存，否则它们就无法共存，”通讯作者、达特茅斯生物科学助理教授CareyNadell说道。“这是首次明确表明，当你将生物膜视为一个群落时，扩散具有非常重要的生态后果。”
研究人员检查了三种细菌群落：铜绿假单胞菌、大肠杆菌和粪肠球菌。它们都是机会性病原体，经常从导管相关尿路感染中分离出来，因此了解它们如何相互作用可以加强对这些感染的了解。
“我们想知道生物膜如何支持多种物种或菌株，因为我们知道细菌非常擅长互相杀戮，”第一作者、Nadell研究小组的研究生、这项研究的负责人JacobHolt说。“所以这是一个很大的动机——如果它们如此擅长这些对抗行为，它们如何在这些紧密关联的群落中共存?”
为了进行研究，研究人员在有利于生物膜形成的玻璃表面和混合良好的液体培养基中培养了这三种细菌。他们在每种环境中“播种”了相同数量的每种细菌，然后使用荧光显微镜检查不同物种的相对丰度如何随时间变化。
在液体培养中，铜绿假单胞菌蓬勃发展，大约三天后就完全战胜了其他两种菌种。然而，在生物膜环境中，研究人员看到了截然不同的动态表现。
起初，粪肠球菌和大肠杆菌的种群增长速度比铜绿假单胞菌快，但几天后，铜绿假单胞菌种群迅速增加，并开始取代其他两种菌种。然而，一旦生物膜变得密集拥挤，铜绿假单胞菌种群就会减少，这让其他两种菌种得以恢复。此后不久，铜绿假单胞菌再次开始占据主导地位——然后这个循环又重复了一遍。
当研究小组测试不同的理论模型来解释这些循环时，最好的模型出奇地简单。“基本机制非常简单，”霍尔特说。“当一个优势物种的数量非常多时，它会选择性地从系统中移除自己，从而允许其他物种继续存在。”
为了验证这一假设，研究人员用一种缺乏分散能力的基因工程铜绿假单胞菌突变菌株重复了实验。在这种情况下，生物膜完全被铜绿假单胞菌所主导，这与液体培养中看到的结果相吻合，并支持了他们的模型的发现。
纳德说，这些发现强调了在现实背景下开展研究的重要性。
“推动生态现实主义研究非常重要。从混合均匀的液体细菌培养物中获得的推论通常可能不适用于生物膜环境，而生物膜环境在现实世界中更为常见，”他说。“这表明在稍微增加一点现实主义的背景下研究这些群落非常重要。”
该团队计划在未来的研究中继续研究这一现实因素。在下一个项目中，霍尔特和纳德尔正在努力在虾壳上培养霍乱弧菌(一种引起霍乱的细菌)，虾壳是细菌在海洋环境中经常生长的基质。
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