《Chemical Engineering Journal》：Carrier bacteria motility determines efficacy of hitchhiking bacteriophages to control biofilm
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噬菌体搭车系统通过非运动性噬菌体与运动性载体菌结合控制生物膜，但载体菌运动性对系统效能的影响尚不明确。本研究利用不同运动性枯草芽孢杆菌作为载体，发现中等运动性（S2）载体菌通过平衡细菌竞争力与噬菌体吸附稳定性，在连续流系统中最大程度破坏铜绿假单胞菌生物膜。转录组分析表明，中等运动性载体菌有效抑制铜绿假单胞菌群体感应和毒力基因表达，而高运动性（F1/F2）载体菌因代谢负担加重和噬菌体吸附不稳定性，导致生物膜控制效果下降。该研究揭示了载体菌运动性平衡对噬菌体搭车系统效能的关键作用。
王洛凯|阮楚金|黄丹|大卫·R·约翰逊|于平峰
中国浙江省大学环境与资源科学学院，土壤污染控制与安全国家重点实验室，杭州，310058
摘要
噬菌体“搭便车”系统（即非运动性溶菌性噬菌体借助运动性细菌进行传播）为自然和工程系统中的生物膜改造提供了有前景的策略。然而，目前尚不清楚细菌的运动性程度如何影响这种噬菌体介导的生物膜控制效果。通过使用具有不同运动特性的枯草芽孢杆菌载体菌株，我们发现适度的细胞运动性能够增强铜绿假单胞菌生物膜中细菌的竞争力和噬菌体的传播能力，从而最大化生物膜的破坏效果。虽然高运动性菌株使得枯草芽孢杆菌的定殖面积更大，但它也降低了枯草芽孢杆菌对铜绿假单胞菌的竞争力，并减少了噬菌体的吸附稳定性，导致生物膜破坏效果减弱。转录组分析显示，载体枯草芽孢杆菌抑制了铜绿假单胞菌的群体感应和毒力基因表达。然而，高运动性菌株无法像低运动性菌株那样有效抑制铜绿假单胞菌的抗病毒防御系统，从而降低了噬菌体介导的生物膜破坏效果。在具有不同流速的连续流动系统中，具有中等运动性的枯草芽孢杆菌菌株始终能够最大化噬菌体的吸附稳定性和生物膜破坏效果。总体而言，这些发现突显了增强运动性对载体细菌适应性的影响，并强调了选择具有适当运动性的载体细菌对于基于噬菌体的生物膜控制的重要性。
引言
水处理和再利用系统中的问题生物膜对公共卫生构成了重大挑战[1]，因为它们是病原菌的储存库，而这些病原菌通常对常规化学消毒剂和机械去除方法具有抗性[2],[3]。这凸显了迫切需要环保且有效的生物膜控制方法。噬菌体“搭便车”现象（指噬菌体附着在运动性非宿主细菌上并随之传播）已被提出作为精确微生物组编辑和高效生物膜控制的手段[4]。尽管噬菌体“搭便车”系统在生态学和生物技术方面具有显著意义[5]，但我们对影响其破坏目标生物膜效果的主要因素的理解仍然有限。对于非运动性噬菌体而言，载体细菌的运动性程度可能在促进这种相互作用中起着重要作用。运动性不仅影响细菌的生存和进化动态，还可能影响被携带噬菌体的传播效率，因此载体细菌的运动性特征对于噬菌体“搭便车”系统至关重要。
细菌已经发展出多种运动机制来利用可用资源[6],[7]并扩散到新的环境中[8]。高运动性的细菌能够快速获取资源，尤其是在营养有限的环境中[9]，或者逃避捕食和压力[10]。然而，增强运动性会带来权衡，这可能源于产生运动结构（如鞭毛[11],[12]或菌毛[13],[14]）的代谢负担，以及维持相关分子马达所需的能量[15],[16]。值得注意的是，高运动性的细菌往往不愿意形成生物膜，而这种生活方式在某些不利条件下可以提高细菌的适应性[17]。这些权衡可能会使高运动性的细菌在生物膜环境中处于劣势[18]。然而，载体细菌的运动性程度对其控制生物膜的整体效果的影响仍需进一步研究。
我们假设适度的细菌运动性会提高噬菌体“搭便车”系统控制生物膜的效果[4],[19]。这一假设基于以下前提：高运动性会通过i) 增加代谢负担和ii) 降低噬菌体吸附稳定性来降低细菌的竞争力。从而削弱噬菌体“搭便车”系统杀死目标细菌的效果。因此，阐明运动性如何影响噬菌体“搭便车”的效果及其潜在机制，将为开发和可靠应用基于噬菌体的生物膜控制系统提供重要的基础见解。
在这项研究中，我们选择了枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌作为代表性的载体-目标菌株，因为它们在自然和工程环境中普遍存在，包括土壤、植物根际和与生物膜相关的水生系统[21],[22]。枯草芽孢杆菌是一种具有高度运动性的环境定殖菌，能够通过趋化作用迁移并与已建立的生物膜发生物理接触[23]，而铜绿假单胞菌是持久性生物膜形成的典型模式生物[24]。我们系统地研究了载体细菌的运动性如何影响噬菌体“搭便车”系统破坏铜绿假单胞菌生物膜的效果。使用具有不同运动性的枯草芽孢杆菌菌株作为载体细菌，并定量评估了枯草芽孢杆菌的运动性和噬菌体吸附稳定性之间的平衡如何影响铜绿假单胞菌生物膜的控制效果。通过种间竞争实验、比较基因组学和转录组学分析以及模拟水生环境的实验，我们发现适度的运动性通过平衡细菌竞争力和噬菌体吸附稳定性来最大化生物膜破坏效果。相反，高运动性会带来显著的适应性成本并破坏噬菌体吸附，从而阻碍铜绿假单胞菌生物膜的破坏。这些发现为选择用于自然和工程系统中控制生物膜的基于噬菌体的策略提供了重要启示。
部分摘录
细菌菌株和生长条件
本研究中使用的细菌菌株为铜绿假单胞菌 PAO1（ATCC15692）和枯草芽孢杆菌 168（ATCC23857）。选择铜绿假单胞菌 PAO1作为噬菌体感染的目标菌株，是因为它在水分配和储存系统的生物膜中广泛存在。枯草芽孢杆菌 168被用作载体菌株，因为它具有高运动性、非致病性以及强大的生物控制能力。为了引入红色荧光标记，铜绿假单胞菌 PAO1被转化了相应的质粒获得具有不同运动特性的载体细菌菌株
我们假设载体菌株的运动性程度会影响噬菌体“搭便车”系统破坏铜绿假单胞菌生物膜的效果。据此，我们将枯草芽孢杆菌的载体菌株分为三个等级：野生型菌株S2被归类为中等运动性菌株，运动性低于S2的菌株S1被归类为低运动性菌株，而运动性高于S2的菌株（F1和F2）被归类为高运动性菌株
结论
尽管噬菌体“搭便车”系统在控制水处理环境中的生物膜相关风险方面具有巨大潜力，但其效果的关键决定因素仍不甚清楚。在这项研究中，我们研究了细菌运动性作为影响噬菌体“搭便车”系统性能的关键因素。我们的研究发现，中等运动性的载体菌株具有最高的生物膜去除效果。相比之下，高运动性的进化与适应性降低有关
CRediT作者贡献声明
王洛凯：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析。阮楚金：撰写——审稿与编辑、概念构思。黄丹：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。大卫·R·约翰逊：撰写——审稿与编辑、概念构思。于平峰：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号52522003、52470059和32302244）和浙江省创新团队资金（编号2023R01004）的财政支持。我们感谢王静雪教授提供PAO1和PAO1Δ< />菌株以及vB_Bsu_hmny2噬菌体。
