細菌通常附著在物體表面，形成密集的群落，稱為生物膜。生物膜生長過程中會向整個表面擴張，從而增加表面積和獲得養(yǎng)分的機會。因此，生物膜的整體生長速度直接取決于其“區(qū)域擴張range expansion”速度。限制區(qū)域擴張速度的一個因素是垂直生長；在生物膜邊緣，水平生長和垂直生長之間存在直接的權衡--生物膜向上生長得越多，向外生長得就越少。因此，水平生長和垂直生長的平衡會影響區(qū)域擴張速度，更重要的是會影響生物膜的整體生長速度。然而，人們對水平生長和垂直生長之間的生物物理聯(lián)系仍然知之甚少，這在很大程度上是由于從小長度尺度到宏觀尺寸的生物膜形狀難以得到足夠的空間和時間分辨率。
在這里，我們通過實驗證明，細菌菌落的水平擴張速度受生物膜邊緣接觸角的控制。我們利用白光干涉技術（white light interferometry）測量了生長菌落的三維表面形貌，發(fā)現(xiàn)小菌落呈現(xiàn)驚人的完美球形。隨后，營養(yǎng)物質(zhì)的擴散和吸收阻止了高大菌落中心的指數(shù)增長。然而，菌落邊緣總是有一個足夠短的區(qū)域可以呈指數(shù)增長；該區(qū)域的大小和形狀（以其接觸角為特征）以及細胞倍增時間決定了區(qū)域擴張率。我們發(fā)現(xiàn)，指數(shù)增長的生物膜邊緣的幾何形狀可以很好地描述為一個球形帽-餐巾環(huán)（spherical-cap-napkin-ring），即一個球形帽，其中心有一個圓柱形孔（生物膜太高，無法指數(shù)增長）。我們推導出了基于球形帽-餐巾環(huán)的區(qū)域擴展率的精確表達式；此外，在一階情況下，擴展速率僅取決于菌落接觸角、指數(shù)增長區(qū)域的厚度和細胞倍增時間。我們通過實驗驗證了這兩個表達式。與我們的理論預測一致，我們發(fā)現(xiàn)細胞倍增時間長、接觸角小的生物膜實際上比細胞倍增時間短、接觸角大的生物膜生長得更快。因此，敏感性分析表明，生物膜的生長速度對其接觸角比對其細胞生長速度更敏感。因此，要了解生長中的生物膜的適應性，就必須考慮它的形狀，而不僅僅是它的細胞倍增時間。
當生物膜較小時，通常呈指數(shù)增長。一旦生物膜長得足夠高，其生長就會受到營養(yǎng)物質(zhì)擴散和吸收的限制，從而呈亞指數(shù)增長。然而，生物膜邊緣總有一個區(qū)域足夠薄，可以克服擴散限制并呈指數(shù)增長。因此，區(qū)域擴張率在很大程度上取決于該區(qū)域細胞的數(shù)量和排列，而這又取決于生物膜的幾何形狀。然而，要確定生物膜和邊緣的幾何形狀及其如何隨時間變化，在實驗上具有挑戰(zhàn)性。要做到這一點，需要在許多長度和時間尺度上對三維生物膜表面形貌進行高空間和時間分辨率測量，而這在實驗上是很困難的。因此，我們對邊緣的形狀、其時間演變以及它與區(qū)域擴張率的關系缺乏經(jīng)驗認識。
在這里，我們研究了三維生物膜的幾何形狀，以及它們?nèi)绾斡绊懮锬さ纳L，重點是擴張中的菌落邊緣的形狀和動態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)，不斷擴大的菌落在生長過程中會迅速接近一致的穩(wěn)態(tài)接觸角。當生物膜較小時，生物膜被很好地描述為球形帽。隨著生物膜的增大，營養(yǎng)物質(zhì)的擴散和吸收限制了生物膜中心的生長，導致生物膜的形狀偏離球形帽；此外，生物膜中心可能會出現(xiàn)彎曲和皺褶。但是，邊緣的接觸角保持不變。我們的研究表明，生物膜的邊緣可以很好地描述為球形帽-餐巾環(huán)（spherical-cap-napkin-ring，SCNR），即從中心去掉一個圓柱體的球形帽。我們根據(jù)單個細胞的倍增時間和SCNR的幾何形狀推導出SCNR體積和區(qū)域擴張率的表達式。我們測量了許多菌株在不同瓊脂百分比上的生長情況，結果表明，區(qū)域擴張率的差異更多地取決于生物膜接觸角，而不是細胞倍增時間。
結果
A.區(qū)域擴張率與菌落幾何形狀的相關性大于與倍增時間的相關性
B.新生生物膜的幾何形狀可以用球形帽來很好地描述
C.成熟生物膜偏離球形帽形狀
D.生物膜邊緣可以描述為SCNR形狀
E.SCNR幾何形狀的效果
F.根據(jù)接觸角、生物膜邊緣的最大高度和倍增時間預測區(qū)域擴張率
討論
在這里，我們發(fā)現(xiàn)幾何形狀在很大程度上影響著生物膜生長的區(qū)域擴張速度，且區(qū)域擴張率的差異更多地取決于生物膜接觸角，而不是細胞倍增時間。值得注意的是，菌落邊緣的接觸角可能會因菌落生長的表面條件而變化。例如，菌落生長過程中環(huán)境營養(yǎng)濃度或表面性質(zhì)的變化可能會導致接觸角的變化。因此，我們觀察到的恒定接觸角很可能是由于實驗室中瓊脂實驗的一致性造成的，而不是生物膜的普遍特性。不過，即使接觸角發(fā)生變化，接觸角與區(qū)域擴張率之間的關系也應該是成立的。未來的工作可能會研究接觸角和區(qū)域擴張率的動態(tài)變化。
令人驚訝的是，即使是表現(xiàn)出皺褶的菌株，在生物膜邊緣也能觀察到一致的接觸角，這一點在我們對高EPS產(chǎn)生菌株的研究中可以看到。耐人尋味的是，起皺菌落與光滑菌落落在同一條趨勢線上。這種一致性表明，SCNR分析仍是預測起皺菌落范圍擴展率的有效而精確的方法。未來的工作可能會測試導致極度彎曲和分層的機械變化是否會改變接觸角，從而對范圍擴展率產(chǎn)生相應的影響。
生長中的菌落拓殖前沿的幾何形狀也可能會對生態(tài)和進化產(chǎn)生影響。在這項工作中，我們只研究了單克隆菌落。在今后的工作中，我們有興趣研究混合物種生物膜中不同菌株之間的競爭情況，并探討不同接觸角對擴張前沿的影響。此外，細胞群可以呈現(xiàn)出從光滑到粗糙表面以及分支形態(tài)等各種形狀。結構變化來自于統(tǒng)計噪音和生長不穩(wěn)定性等因素。雖然這些影響已經(jīng)產(chǎn)生了復雜而深遠的后果，但未來的工作可能會研究這些影響如何與生物膜幾何形狀的影響相結合并進行比較。
最后，我們的研究結果表明，要了解生物膜的適應性，必須同時測量細胞倍增時間和生物膜接觸角。因此，要了解生物膜在實際環(huán)境中的適應性，必須在生物膜生長的實際表面（或具有類似材料特性的表面）上測量接觸角。因此，必須考慮生物膜和基質(zhì)材料特性對接觸角的影響，就像考慮環(huán)境營養(yǎng)濃度對細胞倍增時間的影響一樣。
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