Emergent Biological Endurance Depends on Extracellular Matrix Composition of Three-Dimensionally Printed Escherichia coli Biofilms

緊急生物耐力取決于三維打印的大腸桿菌生物膜的細胞外基質組成

來源： American Chemical Society Synthetic Biology 2021, 10, 2997?3008

 

1. 摘要核心內容

 

本研究通過3D生物打印技術構建了具有可控胞外基質組成的大腸桿菌生物膜模型，探究了生物膜基質成分（纖維素與卷曲菌毛）對生物學耐受性（如消毒劑抗性）和空間氧分布的影響。研究發現：

 

基質成分決定耐受性：表達卷曲菌毛（Curli）的3D打印生物膜對乙醇和Virkon S消毒劑的抗性顯著高于僅含纖維素或不含基質的生物膜（圖5）。

 

 

氧擴散受限機制：卷曲菌毛的存在導致生物膜深層形成缺氧區（厚度達300-400 μm），模擬了天然生物膜的氧梯度特征（圖4）。

 

 

物理穩定性：3D打印生物膜可逆附著于細菌纖維素、玻璃等表面，抗物理形變（折疊/扭曲后恢復原狀），具備工程應用潛力（圖8）。

 

 

2. 研究目的

 

探究生物膜胞外基質組成（纖維素與卷曲菌毛）如何影響其：

 

生物學耐受性（消毒劑抗性）；

 

空間氧分布模式；

 

物理穩定性，為設計功能性生物材料（如益生菌涂層、生物修復材料）提供理論依據。

 

3. 研究思路

 

3D打印+基質成分調控→表型分析：

 

菌株設計：使用三類大腸桿菌（表1）：

 

 

同時表達纖維素和卷曲菌毛（Cellulose?/Curli?）；

 

僅表達卷曲菌毛（Cellulose?/Curli?）；

 

無基質成分（Cellulose?/Curli?）。

 

3D打印：定制生物墨水（海藻酸鈉+菌體），打印多層條紋結構（圖3）。

 

 

表型檢測：

 

消毒劑抗性：乙醇/Virkon S處理后檢測存活菌落（圖5）；

 

氧分布：Unisense微電極測量生物膜內部氧濃度剖面（圖4）；

 

物理穩定性：附著能力與抗形變測試（圖8）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

（1）消毒劑抗性（圖5）

 

數據：Cellulose?/Curli?生物膜在70%乙醇處理下存活率最高（僅降低1.5-3 log），顯著優于Cellulose?/Curli?（降低3-5 log）和無基質組（降低5-6 log）。

 

意義：首次證明卷曲菌毛是消毒劑抗性的關鍵決定因子，而非纖維素。為設計抗消毒劑的工程生物膜提供靶點。

 

（2）氧分布剖面（圖4）

 

數據：Unisense微電極顯示：

 

Cellulose?/Curli?和Cellulose?/Curli?生物膜在200 μm深度處氧濃度降至0，形成厚缺氧區（300-400 μm）；

 

無基質組（Cellulose?/Curli?）氧可滲透至底部（400 μm）。

 

意義：卷曲菌毛通過物理阻礙氧擴散（非代謝消耗）創造缺氧微環境，模擬天然生物膜的生理異質性。

 

（3）物理穩定性（圖8）

 

數據：3D打印生物膜可逆附著于細菌纖維素、玻璃、聚苯乙烯表面，折疊/扭曲后恢復原狀。

 

意義：證明其作為可移植生物材料的潛力（如醫療設備涂層）。

 

5. 核心結論

 

卷曲菌毛主導耐受性：是消毒劑抗性的主要決定因素，纖維素可能削弱其保護作用。

 

缺氧區由基質物理特性決定：卷曲菌毛通過限制氧擴散（非細胞代謝）形成深層缺氧區。

 

3D打印生物膜的應用潛力：可逆附著、抗形變特性支持其在益生菌涂層、生物修復等領域的應用。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術原理與優勢：

 

微電極氧傳感：50 μm尖端分辨率，實時測量生物膜內部氧濃度梯度（方法部分）。

 

高空間精度：以50-100 μm步長掃描剖面，精準定位缺氧區邊界（圖4）。

 

關鍵科學貢獻：

 

揭示基質物理屏障作用：

 

Unisense數據顯示：卷曲菌毛的存在使氧在200 μm深度驟降至0（圖4），直接證明其通過增加基質密度（物理擴散屏障）——而非細胞耗氧——導致缺氧。

 

量化生物膜生理異質性：

 

測得Cellulose?/Curli?生物膜缺氧區厚度（400 μm）顯著大于無基質組（0 μm），為“基質驅動氧限制”理論提供直接證據。

 

支撐耐受性機制：缺氧區與消毒劑抗性正相關（圖5），提示缺氧微環境可能是耐受性的誘因之一。

 

領域突破性價值：

 

克服傳統終點法（如切片染色）的破壞性局限，實現原位、動態監測生物膜微環境；

 

為合成生物學設計仿生生物膜（如可控缺氧材料）提供定量優化參數。

 

注：Unisense電極是本研究的核心技術，其高分辨率數據首次將生物膜基質成分與氧微環境、生物學耐受性三者定量關聯，為工程化生物膜的設計奠定了方法論基礎。