《Cell Reports Physical Science》：Hypermotility impacts bacterial biofilm formation via proton cycling
编辑推荐：
本研究针对细菌生物膜形成早期调控机制不清的问题，通过单细胞追踪显微技术揭示了质子梯度通过双引擎循环模型（MotAB stator和F1F0-ATPase协同）调控鞭毛旋转速度的物理机制。发现超运动性（hypermotility）通过抑制运动-固着态转换延迟生物膜初始定殖，同时细菌通过能量重编程（PMF提升60.8%，ATP消耗增加41.2%）维持运动能力。该研究为靶向质子循环的精准生物膜控制策略提供了理论依据。
在微生物世界中，细菌生物膜如同城市中的摩天大楼，既是细菌群体的庇护所，也是医院感染、工业污染等问题的根源。这些由细菌聚集形成的复杂社区结构，尤其是一些医疗器械相关感染和慢性感染的重要病因。然而，细菌如何从自由游动的浮游状态转变为附着在表面的固着状态，从而启动生物膜的形成，这一过程背后的物理化学机制尚不明确。
以往的研究多关注基因敲除等遗传学手段来调控细菌运动性，但细菌运动性的物理调控机制，特别是作为核心能量媒介的质子梯度如何驱动鞭毛旋转并影响生物膜形成，仍是一个黑箱。质子不仅是环境应激信号，更是鞭毛旋转的直接能量来源。理解质子循环的精细调控，可能为生物膜的精准控制提供新的思路。
针对这一科学问题，天津大学和中国科学技术大学的研究团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了最新研究成果。他们通过多尺度系统研究，揭示了质子驱动运动性调控生物膜形成的机制，并提出了一个创新的"双引擎质子循环模型"，
阐明了细菌在维持高运动性状态下的质子稳态机制。
关键技术方法
研究采用单细胞追踪显微成像系统观察细菌在准二维系统中的运动轨迹，通过微球标记法测量鞭毛旋转频率。利用膜电位敏感探针DiSC3(5)和9-氨基吖啶荧光探针分别测定膜电位（ΔΨ）和细胞内pH值，计算质子驱动力（PMF）。通过转录组学分析差异表达基因，采用因果中介分析模型解析质子强度-运动性-生物膜形成的调控路径。生物膜培养实验在微观和宏观尺度同步进行，结合代谢活性分析评估能量代谢状态。
质子强度驱动运动性差异
研究发现，随着质子强度从1.2×10-7M增加到2.5×10-5M，大肠杆菌的瞬时游泳速度从24.73±5.39 μm/s显著提升至32.16±6.38 μm/s。鞭毛旋转频率也从51.12±9.28 r/s增加至56.23±10.56 r/s。群体分析显示，高速运动细菌（>30 μm/s）比例增加了200%，而低速个体（<20 μm/s）减少了90%。这种运动性增强并非由代谢活性差异引起，而是源于质子通量增加对MotAB stator（定子单元）的直接激活作用。
超运动性延迟菌落定殖
在生物膜形成初期，高运动性（HM）组细菌在基底层的运动速度比低运动性（LM）组高出60.75%，且持续运动细菌比例在8小时培养后仍保持65.2%±11.5%，显著高于LM组的快速衰减。轨迹分析表明，超运动性抑制了细菌从运动态向固着态的转变，延迟了生物膜的初始定殖。宏观生物膜生长实验进一步证实，高运动性显著抑制生物膜生长速率，且运动面积与EPS产量呈强负相关（R2=0.74）。因果中介分析显示，质子强度对生物膜形成的抑制效应有85.32%是通过运动性调控路径实现的。
超运动性菌落的ATP密集型能量重编程
高运动性细菌表现出显著的代谢重构：PMF提升60.8%±6.6%，但ATP水平下降41.2%±9.8%。尽管膜电位（ΔΨ）出现34.73±4.98 mV的去极化，但跨膜pH梯度（ΔpH）从0.279±0.088大幅增加至2.215±0.088，补偿了膜电位损失，维持了PMF稳定。同时，氧化磷酸化活性（从0.51±0.035升至0.88±0.13）和糖酵解活性（从0.25±0.006升至0.28±0.005）协同上调，以满足持续的鞭毛旋转能量需求。然而，这种ATP密集型的PMF维持策略导致总能量储备减少27.2%±10.6%，限制了生物合成和增殖所需的能量供应。
PMF稳定与稳态的双引擎质子循环模型
转录组分析发现709个基因上调和522个基因下调，其中鞭毛组装和ATP合成相关基因显著富集。基于此，研究提出了双引擎质子循环模型：在相位I（质子推进）中，质子通过MotAB stator通道流入，驱动鞭毛旋转；在相位II（质子排出）中，F1F0-ATPase通过ATP水解将质子泵出，恢复质子梯度。这两个引擎形成一个闭环系统，在高质子负荷下维持PMF稳态。每个鞭毛旋转需要1200个质子，而每个F1F0-ATPase复合物每秒可排出200-600个质子，理论上足以平衡MotAB的质子流入需求。
研究结论与意义
该研究通过多尺度实验系统揭示了质子驱动运动性调控生物膜形成的物理生物学机制。提出的双引擎质子循环模型不仅解释了细菌如何在维持高运动性状态下平衡质子流入与排出，还阐明了能量代谢重编程在运动-定殖权衡中的关键作用。这一发现为针对细菌运动性的精准生物膜控制提供了新思路：通过调控微环境质子梯度，可诱导细菌维持运动状态而非形成生物膜，为预防医疗器械相关感染等临床问题提供了非抗生素依赖性的干预策略。该模型具有跨物种普适性，有望应用于更广泛的病原体生物膜控制场景。
