加州大学圣迭戈分校和庞培法布拉大学的研究人员发现，饥饿状态下的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）生物膜会通过单个出口弹射运动细胞，利用自生水凝胶膨胀1000倍产生机械力将细胞推出。
生物膜是包裹在自分泌基质中的细菌群落，以难以根除而闻名。它们覆盖医疗植入物、堵塞工业管道，并通过藏匿休眠细胞（治疗后重新定殖）来抵抗抗生素。
该机制于7月7日发表在《自然·微生物学》上。与主流模型（生物膜通过酶解基质均匀释放细胞）不同，这种”逃生舱”策略是局部的、各向异性的，且本质上是机械性的。
“当我们看到细胞通过单一通道涌出时，就知道发现了全新的东西，”加州大学圣迭戈分校分子生物学教授、论文通讯作者Gürol M. Süel说。
水凝胶驱动的喷射
在碳匮乏约16小时内，生物膜深处的运动细胞开始分泌聚-γ-谷氨酸（gamma-PGA）。这种聚合物可吸收高达其自重1000倍的水分。膨胀产生的渗透压足以通过生物膜外层的一条路径将细胞推向外部的过程，研究人员将其比作火山熔岩冲破火山口壁。
一旦弹出，释放的细胞便利用鞭毛游向更适宜的环境。关键在于，原始生物膜保持完整，条件改善后可以重新生长——这使得该机制成为一种赌注分散的生存策略，而非最后的崩解手段。
水凝胶对pH值的响应性提供了潜在的控制手段。在中性pH（7）下，gamma-PGA膨胀并驱动弹出。在酸性pH（4）下，它会收缩，从而关闭该机制。研究团队证明，基因过表达gamma-PGA会导致生物膜完全崩解，而破坏gamma-PGA合成途径（DeltacapBCAE）则完全消除了扩散行为。
意想不到的进化平行
这一发现具有显著的对称性：唯一已知的另一个利用gamma-PGA水凝胶进行机械弹射的生物系统是水母的刺细胞（刺丝囊）。发射刺胞动物”鱼叉”的相同化学反应，也将细菌从生物膜中发射出去。
“这是细菌和水母之间意想不到的机制平行，”Süel说。”大自然似乎趋同于用同一种水凝胶解决方案解决两个完全不同的问题。”
系统发育分析证实，芽孢杆菌属的gamma-PGA合成操纵子与刺胞动物依赖gamma-PGA的刺丝囊机制是独立进化的——这是分子水平上真正的趋同进化案例。
局限性与临床前景
这一发现作为不依赖传统抗生素的抗生物膜策略的潜在基础而受到关注。但这项工作仍处于实验阶段，仅在单一生物体（B. subtilis）的控制微流控腔室中得到验证。该机制是否能推广到与医院获得性感染最相关的医学重要病原体（如铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa或金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus）仍是未知数。
“这是最好的基础科学，”Süel强调。”我们已经确定了一种机制。临床应用即使到来，也还需要多年时间。”
强制生物膜破裂理论上可能将病原细胞释放到血液中，可能导致远处感染——这是论文未提及的风险，在任何治疗开发前都需要仔细评估。
尽管如此，这一发现开辟了生物膜研究的新前沿。由膨胀压力而非酶降解驱动的机械喷射性质，提供了一条潜在途径，可以在不触发通常导致细菌对抗生素产生耐药性的应激反应的情况下破坏生物膜。
“这些细菌进化出了关于何时留下、何时离开这一问题的异常优雅的解决方案，”Süel说。”理解这一解决方案最终可能帮助我们设计更好的方法来管理医学和工业中的生物膜。”
来源
Chou TKT, Dau-Martinez A, Vicens-Figueres J, 等. “Self-generated hydrogel ejects bacterial cells for localized biofilm dispersion.” Nature Microbiology (2026). DOI: 10.1038/s41564-026-02413-4
Vaz J. “Bacteria clusters can eject ‘escape pods’ to survive.” Science.org, 2026年7月16日. https://www.science.org/content/article/bacteria-clusters-can-eject-escape-pods-survive
婷 翻译