科學家深挖生物膜細菌中胞外聚合物的作用

中國科學院海洋研究所的漢斯 - 庫爾特·弗萊明教授所領導的一個研究團隊，在 9 月 27 日發表於《自然評論：微生物學》的一項研究中，報告了生物膜胞外聚合物所發揮的作用。

研究人員所關注的這種物質代表着生物膜細菌的“房子”——胞外聚合物（EPS）的基質，其主要由多糖、蛋白質、核酸和脂質構成。

他們的研究表明，EPS 基質爲生物膜細胞提供了一個具有動態、功能性和保護性的共享空間，在這個空間裡，細菌不僅組織自身的社會相互作用，還爲 EPS 成分之間的協同相互作用搭建了一個舞臺。

EPS 功能的例子包括細胞間通信和保護，以及在非常小的距離上的濃度梯度，爲生物提供了豐富多樣的棲息地。EPS 構成了生物膜進化成功所依賴的功能相互作用。

有趣的是，一旦由生物膜細菌形成，EPS 便會脫離其生產者而獨立存在。通過保留外切酶，在生物膜細胞周圍構建起了細胞外消化系統。這甚至可以降解顆粒物質中的複雜生物聚合物，並使細菌能夠將產生的低分子產物用作底物。

“就這種消化功能而言，鑑於其至少 50 Pg C有機碳的龐大數量，它們代表了全球聚合物生物降解的瓶頸和碳封存的一個重要因素，”弗萊明教授說。

此外，他們的研究表明，EPS 起着吸收海綿的作用，積累周圍的分子和顆粒作爲可能的營養物質，而這些物質中也可能包含毒素和污染物，它們能夠成爲基質分解的來源。

作爲一種水凝膠，胞外聚合物（EPS）在保水方面發揮着重要作用，進而對土壤的抗旱性也起着重要作用。在沉積物中，它們能夠增強內聚力，且有助於沉積物保持穩定。

EPS 能夠構建穩定的生物膜，這對於飲用水和廢水的自然自淨極爲關鍵，因此，其在全球範圍內被應用於生物飲用水和廢水的處理。

作爲一種濃差電池，胞外聚合物（EPS）能夠促進金屬的點蝕。除此之外，由於氧氣耗盡，它們會在金屬表面直接產生厭氧區，爲硫酸鹽還原菌等厭氧菌提供棲息地，這些厭氧菌是經常導致微生物影響腐蝕（MIC）的典型“工業病原體”。

另一方面，據研究表明，EPS 包含的有價值產品在生物技術中的應用越來越廣泛，例如阻燃劑、冰淇淋穩定劑、用於三次採油的生物表面活性劑、細菌纖維素、凝膠劑（如透明質酸、黃原膠、熱凝膠）或作爲抗氧化劑的益生菌多糖。