脂多糖介导的大肠杆菌粘附与力学异质性的单细胞分析及其环境适应意义

《Archives of Microbiology》：Single-cell analysis of lipopolysaccharide-mediated heterogeneity in Escherichia coli adhesion and mechanics

　　本研究针对细菌群体表型异质性机制不清的问题，通过原子力显微镜技术开展脂多糖介导的大肠杆菌粘附与力学特性研究。发现EDTA去除LPS后细菌表面光滑化，粘附力和弹性显著降低，群体异质性减少。该研究揭示了LPS结构多样性是表型异质性的关键决定因素，为理解细菌环境适应和抗菌应激反应提供了新视角。

　　

在微生物世界的隐秘角落，即使基因完全相同的细菌个体也展现出令人惊讶的行为差异。这种表型异质性现象使得细菌群体能够更好地适应多变环境，如同一个精密的生存策略工具箱。特别是在细菌定植各种表面的过程中，具有不同生物物理特性的亚群表现出独特的优势，然而这种异质性背后的分子机制至今仍是未解之谜。

在革兰氏阴性细菌中，脂多糖(LPS)作为外膜的关键组分，不仅构成抵御外界威胁的屏障，更可能通过其结构多样性影响细胞的机械特性。但传统研究多局限于群体平均水平，掩盖了单细胞水平的微妙差异。正是基于这一科学盲区，来自波兰尼古拉·哥白尼大学的研究团队在《Archives of Microbiology》上发表了创新性研究成果，通过高精度的原子力显微镜(AFM)技术，首次在单细胞水平系统揭示了LPS介导的大肠杆菌粘附与力学异质性的内在联系。

研究人员采用原子力显微镜成像与力谱分析技术，结合胶体探针实现对全细胞表面的力学表征。通过EDTA处理部分去除LPS，利用聚类分析识别表型亚群，并建立异质性指数(HI)量化细胞间变异度。同时辅以群体水平的粘附和聚集实验验证单细胞发现。

Effect of EDTA on the bacterial cell surface

AFM成像结果显示，EDTA处理显著改变了细菌表面形貌。虽然细菌保持基本形态，但外膜变得更为光滑，原有的LPS束状突起消失，出现不规则浅凹结构。表面粗糙度(R_q)从10.1±3.1 nm增加至14.7±3.3 nm，表明LPS去除导致表面结构重组。

Heterogeneity in adhesive and mechanical properties of the treated cells

研究发现，对照组大肠杆菌群体中存在两个明显亚群：亚群1表现为高粘附力(1.03±0.94 nN)、短相互作用距离、高刚度(杨氏模量2.94±2.19 kPa)和高异质性指数；而亚群2则特性相对温和。EDTA处理后，群体异质性显著降低，粘附力降至0.73±0.41 nN，破裂距离从1.81±0.99 μm增加至3.68±0.65 μm，杨氏模量大幅下降至0.55±0.16 kPa。更重要的是，强粘附-高刚度表型的细胞亚群完全消失。

聚类分析清晰展示了EDTA处理前后群体结构的显著变化，对照组中明显的亚群分布在处理后趋于均一。

异质性指数分析进一步证实，EDTA处理使细胞间异质性指数降低54%(粘附特性)和92%(弹性特性)，表明LPS结构多样性是表型异质性的主要来源。

Adhesion and aggregation assays

群体水平实验与单细胞结果高度一致：LPS去除使细菌粘附能力降低64%，而自聚集能力显著增强，随时间推移逐渐增加，证实了表面特性改变对群体行为的深远影响。

本研究通过多尺度分析证实，脂多糖的结构多样性是调控细菌表型异质性的关键因素。外膜结构的化学和物理异质性直接决定了个体细胞在粘附能力和机械特性上的差异，这种多样性为细菌群体提供了环境适应优势。EDTA诱导的LPS去除不仅简化了表面结构，更从根本上降低了群体异质性，消除了特定功能亚群。

该研究的创新价值在于建立了单细胞生物物理特性与群体行为之间的桥梁，揭示了LPS在细菌环境适应中的新功能。从应用视角看，针对LPS结构的干预策略可能成为控制细菌定植和生物膜形成的新途径。此外，研究所建立的AFM力谱结合胶体探针的技术平台，为微生物单细胞研究提供了可靠方法学支持，有望在病原菌-宿主相互作用、抗菌机制研究等领域发挥重要作用。

这项研究不仅深化了对细菌表型异质性起源的理解，更为开发针对细菌表面结构的创新干预策略提供了理论依据，在环境微生物学、医学感染控制和工业生物污染防治等领域具有广阔的应用前景。