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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18146(2022) 이 기사 인용

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박테리아 생물막은 고정된 표면 및/또는 서로 붙어 있는 복잡한 박테리아 군체입니다. 박테리아 생물막은 항균제에 대한 높은 저항성을 나타내며 생명을 위협하는 병원 내 감염을 일으킬 수 있습니다. 박테리아 생물막의 형성과 성장을 조사하는 과학계의 노력에도 불구하고, 박테리아와 표면의 예비 상호작용 및 그에 따른 생물막의 초기 단계 형성은 여전히 ​​불분명합니다. 이 연구에서는 처리되지 않은 유리 제어 표면 및 항균 특성으로 알려진 화합물인 염화 벤잘코늄으로 처리된 표면과 대장균과 녹농균 박테리아의 상호 작용에 대한 라벨 없는 실시간 모니터링을 제시합니다. 원리 증명 조사는 박테리아 확산과 초기 접착 및 관련 생존 가능성을 모니터링하기 위한 도구로서 가성의 광학 현상을 활용하는 표준 도립 광학 현미경에서 수행되었습니다. 광학 설정의 향상된 분해능을 통해 박테리아의 역학을 모니터링하고 특성화할 수 있었으며, 이는 박테리아 접착 역학과 생존 가능성 사이의 관계뿐만 아니라 생물막 형성 능력에 대한 증거를 제공했습니다. 표면에 부착된 생존 가능한 박테리아는 눈에 띄는 슬라이딩 또는 회전 역학을 나타냈지만 표면 접촉에 의해 죽은 박테리아는 일단 표면에 부착된 후에는 정적으로 유지되었습니다. 역학의 이러한 차이로 인해 생물막 형성을 조기에 감지할 수 있었고 항균 표면 및 코팅의 효율성을 정량화할 수 있는 가능성이 제공되었습니다.

생물막은 표면에 서식하고 자라는 복잡하고 역동적인 미생물 군집입니다. 개별 플랑크톤 상태(용액에 떠 있는 단일 박테리아 세포)에서 생물막으로의 전환은 불리한 조건에서도 박테리아의 항생제 내성과 성장을 향상시킵니다1. 생물막 내에서 박테리아는 탄수화물 결합 단백질, 털과 편모와 같은 접착 구조 및 세포외 물질과 함께 세포외 고분자 물질(EPS)로 구성된 자체 생산된 세포외 기질에 둘러싸여 있습니다. 생물막의 3차원 구조. 이 구조는 박테리아의 성장과 번식을 촉진하고 세포 간 상호 작용, DNA 교환을 강화하고 생물막 구성 요소를 건조, 포식 및 기타 외부 손상 요인으로부터 보호하는 데 필요한 적절한 양의 영양소를 박테리아에 제공합니다2.

박테리아 부착 및 생물막 형성 메커니즘은 여러 가지 물리적, 화학적, 생물학적 요인에 의해 좌우됩니다. 생물막 형성의 첫 번째 단계는 단일 박테리아가 표면에 개별적으로 부착되는 것과 관련이 있습니다. 개별 박테리아 세포는 물리적인 힘이나 고유한 운동 능력에 의해 표면으로 운반됩니다. 운동성 박테리아는 주화성, 공기주성 또는 광주성 반응에 따라 편모와 같은 구조를 사용하여 표면에 접근합니다. 운동성은 표면과의 초기 상호작용과 표면을 따른 움직임을 모두 촉진합니다. 반면, 비운동성 세포는 확산 및 침강 과정이나 부유하는 유체의 흐름에 의해 표면으로 전달됩니다3. 박테리아가 표면에 접근하면 초기 부착은 인력과 척력, 주로 반 데르 발스 및 정전기 상호 작용에 의해 조절됩니다. 질감, 거칠기, 소수성과 같은 표면 특성; pH 및 온도와 같은 용액의 특성4. 그러나 부착된 박테리아는 유체 역학적 힘, 반발력 또는 영양분 가용성에 대한 반응으로 표면에서 분리되어 가역적 접착이라는 과정을 통해 플랑크톤 상태에 다시 합류할 수 있습니다5. 환경 조건이 좋으면 박테리아가 표면에 영구적으로 부착되어 EPS를 분비하기 시작하여 표면과 영구적인 결합(돌이킬 수 없는 접착이라고 함)을 설정하고 추가 박테리아의 부착을 선호합니다6. 비가역적으로 부착된 박테리아는 계속해서 EPS를 분비하여 생존, 증식 및 응집에 유리한 미세 틈새를 형성합니다. 표면에 부착된 상호작용하는 박테리아의 2차원 마이크로콜로니의 존재는 생물막 형성 과정의 초기 단계를 나타냅니다7. 박테리아 생물막은 비가역적으로 부착된 박테리아의 2차원 단층에서 3차원 다층 콜로니로 발전하여 계속 성장하며 수백 미크론 동안 주변 매체로 돌출됩니다. 이 생물막 구조는 개별 세포를 연결하고 영양분 교환과 폐기물 제거를 허용하는 원시 순환 시스템 역할을 합니다. 이 마지막 단계에서 생물막은 계속 증가하는 박테리아 수로 인한 압력이나 유체 전단이나 마모와 같은 외부 힘의 작용으로 인해 결국 파괴됩니다. 그런 다음 박테리아는 주변 배지에 다시 분산되어 새로운 기질에 군집을 형성하고 감염시킬 수 있습니다(그림 1)8.