生物被膜是细菌在宿主体内与自然环境中形成的结构化胞外基质包裹的细胞集合体。即便菌群遗传背景完全一致，生物被膜内部的细胞也会随营养、代谢等微环境梯度发生显著的功能分化，这种细胞亚群分工，是细菌群体抵御外界逆境、维持感染持续性的核心策略。尽管生物被膜的细胞异质性已经得到广泛报道，但传统测序手段会掩盖单细胞层面的转录与代谢特征，不同亚群的功能分工、亚群间的协同互作如何支撑生物被膜整体抗逆能力，仍有待深入解析。
近日，中国海洋大学海洋生物被膜团队借助细菌单细胞转录组测序技术，揭示了万古霉素处理条件下葡萄球菌生物被膜的单细胞转录动态，揭示了果糖代谢介导的亚群分化以及生物被膜内代谢互作，阐明了生物被膜依靠代谢异质性实现群体抗逆的新机制。团队首先针对模式葡萄球菌生物被膜开展单细胞转录组分析，对比万古霉素处理前后生物被膜的单细胞转录特征（图1A）。将生物被膜内细菌划分为 9个功能各异的细胞亚群（图1B）。亚群 1、亚群 2 在生物被膜内显著富集，成为维系生物被膜稳态的两大核心类群。
图1 葡萄球菌生物被膜单细胞转录组测序分析
进一步分析发现，两个亚群采用差异化且互为补充的适应策略。亚群1高表达果糖 PTS 转运系统基因 fruA/fruK，强化对环境果糖的摄取能力；上调的果糖代谢流进一步激活 glmS/glmU、mraY/murG 等肽聚糖合成与交联通路，推动细胞壁增厚。增厚的细胞壁能够结合并隔离万古霉素，在生物被膜内部构筑物理防御屏障。而亚群 2 呈现截然不同的代谢表型：胞内 PFK 酶活性与 ATP 水平下降，整体代谢活动受抑；同时氧化损伤修复基因 msrA/msrB 显著上调，胞内活性氧 ROS 水平降低，依靠增强氧化损伤修复系统维持细胞存活。两套策略协同作用，共同提升生物被膜整体的抗逆能力。为验证内部营养竞争驱动的亚群互作，研究利用 Transwell 非接触共培养体系模拟果糖争夺的微环境。实验证实，在果糖被邻近细胞大量消耗后，处于营养匮乏、代谢受抑状态的细菌细胞，仍具备更强的逆境存活能力，直接佐证生物被膜内存在互补性的亚群适应分工（图2）。
图2 本研究揭示的细菌生物被膜亚群互作模型
本研究基于长期沿用的生物被膜模型，刻画了基因异质性表达协同增强抗逆能力的调控机制，将人们对生物被膜功能的认知推进至更微观的单细胞层面，同时为后续研发靶向生物被膜的干预策略提供理论依据。相关成果已发表于The ISME Journal，论文题为“Fructose metabolic heterogeneity drives vancomycin tolerance in clonal Staphylococcus aureus biofilms”。中国海洋大学张伟鹏教授、郝杰杰教授以及上海海洋大学于溪研究员为论文通讯作者，蒋之琛博士生为第一作者。本研究受到青岛市原创探索（961254051800）等项目支持。
文章链接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag265。
