生物膜也稱為生物被膜，是指附著于有生命或無生命物體表面被細菌胞外大分子包裹的有組織的細菌群體。生物膜細菌對抗生素和宿主免疫防御機制的抗性很強。生物膜中存在各種主要的生物大分子如蛋白質(zhì)、多糖、脫氧核糖核酸、核糖核酸、肽聚糖、脂和磷酸甘油酯等物質(zhì)。生物膜多細胞結(jié)構(gòu)的形成是一個動態(tài)過程，包括細菌起始粘附、生物膜發(fā)展和成熟擴散等階段。
簡介
生物被膜是微生物有組織生長的聚集體。細菌不可逆的附著于惰性或活性實體的表面，繁殖、分化，并分泌一些多糖基質(zhì)，將菌體群落包裹其中而形成的細菌聚集體膜狀物。單個生物被膜可由一種或多種不同的微生物形成。
通過對微生物在固體表面定植中起支配作用的特殊現(xiàn)象進行了大量研究，逐漸認識到這些微生膜的形成包含復(fù)雜的物理化學(xué)過程和生物群落的相互作用。
在海洋環(huán)境中，所有類型的表面，如巖石、植物、動物和裝配式結(jié)構(gòu)都可能被生物膜侵占。
近年來，隨著醫(yī)學(xué)界對某些環(huán)境中常見細菌所致的一些慢性和頑固性疾病的深入了解，發(fā)現(xiàn)生物被膜是導(dǎo)致這些細菌性疾病難以根治的主要原因。以生物被膜形式存在的細菌不同于浮游細菌，它們對抗生素等殺菌劑、惡劣環(huán)境及宿主免疫防御機制有很強的抗性，生物被膜內(nèi)的細菌在生理、代謝、對底物的降解或利用和對環(huán)境的抵抗能力等方面都具有獨特的性質(zhì)。
細菌生物被膜主要包括分泌的多糖蛋白、多糖基質(zhì)、纖維蛋白、脂蛋白等多糖蛋白配位化合物。成熟生物被膜模型從外到內(nèi)包括主體生物膜層、連接層、條件層、基質(zhì)層。
化學(xué)組成
生物膜的主要化學(xué)成分是脂類和蛋白質(zhì)，糖類次之，另外還有微量的核酸、金屬離子和水。膜脂和膜蛋白以及糖類所占的比例因膜的種類而異。例如，神經(jīng)鞘膜中脂類含量占75%，而蛋白質(zhì)只占18%，這利于膜在神經(jīng)興奮傳導(dǎo)中的絕緣作用；而線粒體膜蛋白質(zhì)含量占75%以上，脂類則占約20%，這與該膜含有豐富的酶有關(guān)。膜的功能越復(fù)雜，蛋白質(zhì)含量越高。膜中蛋白質(zhì)與脂類之比一般為4：1到1：4之間。
功能
生物膜的存在，不僅作為屏障為細胞的生命活動創(chuàng)造了穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，介導(dǎo)了細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的連接，而且還承擔了物質(zhì)轉(zhuǎn)運、信息的跨膜傳遞和能量轉(zhuǎn)換等功能，這些都是由生物膜的結(jié)構(gòu)決定的。
物質(zhì)運輸
生物膜因其半通透性而成為具有高度選擇性的通透屏障。細胞生長所需要的水、氧及其他營養(yǎng)物質(zhì)被運進細胞，細胞內(nèi)產(chǎn)生的激素、毒素和某些酶被運出細胞，細胞內(nèi)代謝產(chǎn)生的二氧化碳式氣槍、NH3等廢物被運出細胞，這些過程都與生物膜的物質(zhì)運輸機制有關(guān)。
（1）被動運輸
被動運輸是小分子物質(zhì)和離子通過細胞膜的運輸機制之一，它不需要能量。
① 簡單擴散
像O2、N2、CO2和NO等氣體，類固醇激素等脂溶性小分子，水、丙三醇、尿素等不帶電的極性小分子均可經(jīng)此方式自由通過生物膜。這些物質(zhì)可由高濃度的一側(cè)通過膜向低濃度的一側(cè)擴散，這個過程或方式即簡單擴散。這種運輸方式的速率取決于被運輸物質(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差，并最后趨于達到擴散平衡。其特點在于不與膜上任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，也不消耗能量。
一般來講，生物膜的電阻較高，不帶電荷的脂溶性物質(zhì)較易通過，即帶電荷或極性基團的親水物質(zhì)則不易自由通過，但上述幾種則例外。一般講，物質(zhì)在質(zhì)膜上的通透性主要取決于分子的大小和極性。小分子物質(zhì)比大分子物質(zhì)更易通過，非極性分子比極性分子更易通過。小的疏水分子和小的不帶電的極性分子能夠通過人工膜；水具有一定的透性，離子和大的不帶電的極性分子不能通過膜。
② 協(xié)助擴散
協(xié)助擴散是物質(zhì)借助膜上特異蛋白的幫助而從其濃度較高的一側(cè)通過膜運輸?shù)狡錆舛容^低的一側(cè)，直到兩邊濃度達到動態(tài)平衡的過程或方式，也不消耗能量。它也叫促進擴散或易化擴散。這里涉及的一般是膜的內(nèi)在蛋白，該蛋白通過其構(gòu)象變化而完成對物質(zhì)的運輸作用。這種運輸促進了擴散，并縮短了達到平衡所需的時間。根據(jù)這種運輸過程中運輸?shù)鞍椎墓ぷ魈攸c可做如下分類。
a．由通道蛋白介導(dǎo)的擴散：這種擴散方式首先在哺乳動物的紅細胞中發(fā)現(xiàn)。通道蛋白貫穿膜，形成一個狹縫狀的中央親水通道，允許一定大小帶一定電荷的離子通過。像Cl即經(jīng)此機制穿過紅細胞膜。這類蛋白存在廣泛，如細菌中的膜孔蛋白即屬此類。
b．由載體蛋白介導(dǎo)的擴散：這種擴散方式所涉及的載體蛋白是一類跨膜蛋白，它通過與物質(zhì)結(jié)合而將物質(zhì)運過膜。大多數(shù)物質(zhì)，尤其是不溶于脂類的物質(zhì)，即經(jīng)這種方式運輸過膜。例如，葡萄糖即通過紅細胞膜上的一種特殊載體蛋白而被運入紅細胞內(nèi)的。這種載體蛋白相當于結(jié)合在細胞膜上的酶，可同特異的物質(zhì)結(jié)合，運輸過程中有類似于酶與底物作用的動力學(xué)曲線。
c．由離子載體介導(dǎo)的擴散：離子載體是溶于膜脂雙分子層的疏水性分子：它雖然也是按照被動轉(zhuǎn)運方式來轉(zhuǎn)運離子的，但是不同于載體蛋白，它包括載體性離子載體和通道形成性離子載體兩種。
纈氨霉素就是一種載體性離子載體，它在膜的一側(cè)結(jié)合K，然后順著電化學(xué)梯度通過脂雙層，于膜的另一側(cè)釋放K。大部分離子載體存在于微生物中，有的已被用作抗生素。
（2）主動運輸
物質(zhì)經(jīng)消耗能雖而被逆濃度梯度運輸通過生物膜的方式，即主動運輸。這是小分子物質(zhì)和離子通過細胞膜的機制之二。其間所消耗的能量主要來自ATP。這種運輸方式也需要特定的蛋白載體。
① 離子泵
如生物膜上存在的Na-K泵、鈣泵、H-K泵、H泵等，均屬此類。其中，Na-K泵是最經(jīng)典的子。Na-K泵，即Na-KATP酶，是膜上的一種特殊蛋白。它利用水解ATP產(chǎn)生的能量，以逆離子濃度的方式向細胞外排出Na，而同時將細胞外的K攝入細胞內(nèi)。據(jù)計算，每消耗1個ATP分子可將3個Na泵出細胞而將2個K泵入細胞。
② 協(xié)同運輸
一種物質(zhì)偶聯(lián)其他物質(zhì)一起進行運輸?shù)倪^程或方式叫協(xié)同運輸。它一般是間接利用ATP供能的。這種運輸方式另需要有關(guān)的ATP轉(zhuǎn)運離子以在膜的內(nèi)外兩側(cè)建立離子濃度梯度，由此形成的電化學(xué)動力（或貯存的能量）才能使有關(guān)物質(zhì)得以運輸過膜。
動物細胞中，葡萄糖和氨基酸等物質(zhì)即經(jīng)過質(zhì)膜上的鈉泵和載體的協(xié)同作用才實現(xiàn)其逆濃度梯度的轉(zhuǎn)運。這里，載體蛋白與細胞外的Na、葡萄糖（或氨基酸）等結(jié)合后，借助Na-K泵轉(zhuǎn)運Na、K時建立的電勢梯度，將Na、葡萄糖（或氨基酸）等同時運入細胞。而在細胞內(nèi)從載體上卸下的Na則又被Na-K泵運出細胞而維持Na的電位梯度。
一般來講，物質(zhì)運輸方向與離子轉(zhuǎn)移方向相同的協(xié)同運輸為同向協(xié)同運輸，反之則為反向協(xié)同運輸。
③ 基團轉(zhuǎn)移
通過對被運輸?shù)奈镔|(zhì)先進行某種化學(xué)變化（如共價修飾），使被運輸物質(zhì)在細胞內(nèi)維持較低濃度，以使這種物質(zhì)得以沿著濃度梯度不斷被從細胞外轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)，這種過程或方式即為基團轉(zhuǎn)移。它最早發(fā)現(xiàn)于某些細菌中。例如，細菌中的葡萄糖在其通過膜時，先被磷酸化（一種共價修飾方式）為6-磷酸葡萄糖后才被運入細胞。而磷酸化后的葡萄糖是小能透過細胞膜的，所以6-磷酸葡萄糖得以在細胞內(nèi)積累。
（3）胞吞作用和胞吐作用
生物膜對大分子化學(xué)物是不通透，故大分子物質(zhì)進出細胞需通過胞吞和胞吐作用來實現(xiàn)。
① 胞吞作用
大分子物質(zhì)或顆粒被質(zhì)膜的一小部分內(nèi)陷而包圍，最后從質(zhì)膜上脫落，形成含有這些大分子或顆粒的細胞內(nèi)囊泡的過程，此即胞吞作用。它可分為如下的3種類型。
a．吞噬作用：以大的囊泡內(nèi)吞較大的固體顆粒（如細菌及細胞碎片等）進入細胞，這個過程即吞噬作用。被吞噬顆粒被吸附于細胞表面，形成叫吞噬泡或噬體的小泡，再與溶酶體相融合而被溶酶體中的水解酶水解。
b．胞飲作用：以小的囊泡形式將胞外的少量液體（含小分子或離子）吞入細胞的過程，即胞飲作用。在這個過程中，會形成叫胞飲水泡或胞飲水體的小泡，它或與溶酶體融合而被溶酶體中的酶降解，或返回質(zhì)膜原處，或移至另一處質(zhì)膜，或以貯存形式停留在細胞內(nèi)。絕大多數(shù)細胞都有此作用。
c．由受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用：當被運輸物質(zhì)（又叫內(nèi)吞物）與細胞表面上的特異受體結(jié)合后，即引起細胞膜內(nèi)陷，形成裹有內(nèi)吞物的囊泡而被運入細胞的過程，此即受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。這種作用專一性很強，細胞因此會大量選擇性地攝入相關(guān)物質(zhì)。許多病毒和毒索即由此過程進入動物細胞內(nèi)。
② 胞吐作用
有些物質(zhì)在細胞內(nèi)被一層膜包圍，形成小泡，慢慢移到細胞表面，最后與質(zhì)膜融合而被排出細胞，此即胞胞吐作用。
真核生物可以胞吐方式來補充質(zhì)膜更新有關(guān)物質(zhì)。胞吐能分泌各種分子，一些小分子物質(zhì)也可經(jīng)胞吐方式排出細胞。
信息傳遞
在生物體的生命活動過程中，細胞內(nèi)的各部位之間、細胞之間，以及細胞與外界環(huán)境之間時刻都有物質(zhì)、能量和信息的交流，使生命過程得以協(xié)調(diào)有序地進行，而這是由生物膜實現(xiàn)的。其中，信息交流是最重要的。
細胞的信息傳遞，也叫細胞通信。狹義地講，它指一個細胞發(fā)出的信號分子通過介質(zhì)傳導(dǎo)到另一個細胞并產(chǎn)生相應(yīng)的效應(yīng)。而廣義地講，則還應(yīng)包括細胞與外界環(huán)境的信息交流。
生物信息學(xué)的交流是通過具體的物質(zhì)來完成的，這些承載有關(guān)“信息”的物質(zhì)即謂之信號（分子），一般都是些化學(xué)物質(zhì)。生物膜控制著信號的發(fā)生與傳遞。細胞的化學(xué)信號分子的溶解不同，有親脂性和親水性之分，其中多為親水性的。親脂性信號分子的主要代表有類同醇激素和甲狀腺素，它們可穿過細胞質(zhì)膜進入細胞，與細胞質(zhì)或細胞核中的相關(guān)受體結(jié)合形成配位化合物以調(diào)節(jié)諸如基因表達等生命活動，親水性信號分子則主要包括神經(jīng)神經(jīng)遞質(zhì)受體、生化因子、化學(xué)遞質(zhì)及大多數(shù)激素。它們雖不能穿過細胞質(zhì)膜，但可以與細胞質(zhì)膜上的有關(guān)受體結(jié)合以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的有關(guān)生命活動。生物膜對化學(xué)信號分子有選擇性，為了敘述方便，有時將這些化學(xué)信號分子統(tǒng)稱為配體，而專一接收信號分子的物質(zhì)則稱為受體，受體主要是蛋白質(zhì)。
能量轉(zhuǎn)換
生物膜在生物體內(nèi)光能和代謝能的轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮了重要作用。ATP是生物體內(nèi)重要的能量“通貨”。生物體內(nèi)代謝過程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移先以ATP的形式“儲存”起來，待需要時再由ATP釋放出來。植物體內(nèi)ATP的主要生成方式是通過光合磷酸化和氧化磷酸化過程。光合磷酸化過程發(fā)生在葉綠體的類囊體膜上。通過其中的光合色素系統(tǒng)、電子傳遞系統(tǒng)和光合磷酸化偶聯(lián)酶系統(tǒng)的作用，使得光反應(yīng)中吸收的一部分光能轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADPH中的化學(xué)能，而另一部分則轉(zhuǎn)變?yōu)橘A存在ATP中的化學(xué)能。
線粒體是真核生物中進行生物氧化和能量轉(zhuǎn)化的主要場所，具體承擔這種作用的就是線粒體的內(nèi)膜。線粒體的內(nèi)膜上分布著電子傳遞鏈體系，使得代謝物上脫下的氫在沿電子傳遞鏈運輸?shù)絆2的過程中能釋放出能量，并且這些能量能全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP的化學(xué)能。
細菌成膜過程
細菌形成生物被膜是一個動態(tài)的過程，主要可分為四個階段：細菌可逆性粘附的定殖階段、不可逆性粘附的集聚階段、生物被膜的成熟階段和細菌的脫落與再定植階段。
細菌可逆性粘附的定殖階段
當浮游細菌與惰性物體表面或活性實體的表面接觸后，浮游細菌會粘附到物體表面，啟動在物體表面形成生物被膜。在這個階段，單個附著細胞僅由少量胞外聚合物包裹，還未進入生物被膜的形成過程，很多菌體還可重新進入浮游狀態(tài)，因此這時細菌的粘附是可逆的。
細菌不可逆性粘附的集聚階段
細菌在經(jīng)過初始的定殖粘附后，一些特定基因的表達開始調(diào)整，與形成生物被膜相關(guān)的基因被激活，細菌在生長繁殖的同時分泌大量胞外聚合物粘結(jié)細菌。在這個階段，細菌對物體表面的粘附更為牢固，是不可逆的。
生物被膜的成熟階段
細菌與物體表面經(jīng)過不可逆的粘附階段后，生物被膜的形成逐漸進入成熟期。成熟的生物被膜形成高度有組織的結(jié)構(gòu)，由類似蘑菇狀或堆狀的微菌落組成，在這些微菌落之間圍繞著大量通道，可以運送養(yǎng)料、酶、代謝產(chǎn)物和排出廢物等。因此，成熟的生物被膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)被比喻為原始的循環(huán)系統(tǒng)。
細菌的脫落與再定殖階段
成熟的生物被膜通過蔓延、部分脫落或釋放出浮游細等進行擴展，脫落或釋放出來的細菌重新變?yōu)?a href="/hebeideji/4456343248761161340.html">浮游菌，它們又可以在物體表面形成新的生物被膜。
培養(yǎng)與觀察
菌膜培養(yǎng)
菌膜的培養(yǎng)可分為兩種，一種為靜止培養(yǎng)，一種為動態(tài)培養(yǎng)。靜止培養(yǎng)是指在選定的特定吸附材料表面上對細菌進行常規(guī)的靜止培養(yǎng)，以使細菌在靜止的環(huán)境中粘附于固相介質(zhì)表面形成菌膜。動態(tài)培養(yǎng)可以為細菌提供一個動態(tài)的生長環(huán)境，在動態(tài)環(huán)境下觀察細菌在固相介質(zhì)表面形成菌膜的情況。現(xiàn)在評價菌膜的形成能力，多需要這兩種方法的綜合運用，以便最大限度的模擬細菌形成菌膜的實際生長環(huán)境，得到不同生長狀態(tài)下菌膜的形成情況。例如，Rieu等用這兩種方法觀察菌膜的形成，就發(fā)現(xiàn)靜止條件下菌膜的形成比流式培養(yǎng)條件下要少。另外，還經(jīng)常要用到活細胞（例如HT-29上皮細胞）來觀察細菌在生物材料上形成菌膜的情況。
常用的菌膜測量
該法用于觀察靜置培養(yǎng)的細菌菌膜，操作簡單、成本低廉，是目前測量菌膜生成量最常用的方法。Djordjevic等對31株單核細胞增生單核細胞增生李斯特氏菌在含有特定培養(yǎng)基的聚氯乙稀微孔板中進行培養(yǎng)后，用1%的結(jié)晶紫染色，然后用冰醋進行脫色，通過測量洗脫結(jié)晶紫后脫色液的OD值來直接確定菌膜的形成量。
2、顯微鏡觀察法
用熒光顯微鏡、激光共聚焦掃描顯微鏡、透射及掃描電鏡觀察在氣液交接處或特定材料上由細菌形成的明顯膜狀菌膜的情況的方法。細菌單純的粘附并不等于形成菌膜，只有細菌包被于自身的胞外多糖等物質(zhì)中的狀態(tài)才算具有菌膜的特征。因此單純依靠96孔酶標板結(jié)晶紫法只能鑒定細菌的粘附情況，還需要通過熒光染色等方法來觀察多糖物質(zhì)等的生成才能判斷菌膜的形成情況。
3、直接觀測法
漂浮的菌膜或薄膜（pellicles），是在培養(yǎng)基的氣液交界面形成的另一種有典型特征的菌膜。由于缺少固相介質(zhì)，細菌一開始生長時便會對自身組織有更多地需求，并且由于暴露于空氣中的界面缺少強氣流的沖擊使得形成的菌膜結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。此外，結(jié)構(gòu)形態(tài)和細胞產(chǎn)胞外基質(zhì)的能力這兩者之間有明顯的關(guān)系，菌落觀察在形態(tài)學(xué)上的應(yīng)用也很廣泛。
最新研究
最近，美國德州農(nóng)工大學(xué)研究人員掌握了一種細胞之間的“交談”方式，不僅能精確控制細菌產(chǎn)出化學(xué)產(chǎn)品，也能更有效地控制生物膜的形成和解體。這一發(fā)現(xiàn)在醫(yī)療、衛(wèi)生和工業(yè)領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用價值，尤其使生物反應(yīng)器技術(shù)向前邁進了一大步。研究論文發(fā)表在近日的《自然-通訊》網(wǎng)站上。
《美國國家科學(xué)院刊》（PNAS）發(fā)表的一篇新報道發(fā)現(xiàn)，細菌生物膜與結(jié)大腸癌有關(guān)。這是首次在結(jié)直腸癌當中發(fā)現(xiàn)了細菌生物膜。
最近來自國外的一項研究發(fā)現(xiàn)，細菌可以利用一種未知的方式來抵制抗生素對其的傷害，研究者們發(fā)現(xiàn)這種細菌可以修飾自身的管家酶（housekeeping enzyme），進而使得自己的管家酶識別作用的抗生素，并且使得抗生素“繳械投降”。這項研究刊登在了新一期的國際著名雜志PNAS上。
新南威爾士大學(xué)近日宣布，該校科學(xué)家用納米微粒打碎了頑固的細菌生物膜。這一發(fā)現(xiàn)將為細菌生物膜引起的慢性炎癥提供治療思路。應(yīng)對生物膜細菌的耐藥性，主要有兩條思路：一是研發(fā)新的抗生素；二是打碎生物膜，把細菌分割開來。此次，新南威爾士大學(xué)的科學(xué)家就是用納米微粒打碎了頑固的細菌生物膜。
加利福尼亞大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)家GürolSüelü，想要弄明白褶皺脊如何生成的。褶皺脊被認為有助于生物膜更有效地交換養(yǎng)分。GürolSüelü和他的同事發(fā)現(xiàn)死細胞積累在脊下，但不知道誰先誰后：細胞死亡還是類似腳手架的結(jié)構(gòu)形成。為解決這個‘蛋與雞’的問題，GürolSüelü和他的同事們首先踏上了‘生物膜上細胞死亡’的探索之路。研究團隊制備了土壤細菌枯草芽孢桿菌的許多突變體。每個突變?nèi)笔б粋€被認為參與生物膜形成的基因。在每一種情況下，研究團隊注意是否基因增強或抑制細胞死亡。研究團隊還追蹤了細胞死亡的時間和地點。總的來說，有一個細胞死亡的固定模式，他們發(fā)現(xiàn)：只有特定的細胞補丁會解體。
參考資料 >