蛇皮上的微觀尖刺能抑制細菌積聚

　　球蟒得名于它的經典的防御姿態：它們會蜷縮成一個球狀，并將頭部緊緊收起。然而，它們的鱗片之下還隱藏著另一種遠為精妙的防御機制：一種能夠抑制細菌積聚的微觀尖刺。近日發表于《ACS Omega》的一項研究，有望為開發基于物理機制而非化學作用的抗菌材料提供靈感。

　　英國謝菲爾德大學的聚合物物理學家Andrew Parnell表示：“我們可以將物理機制與抗生素結合起來協同作用。或許能夠采用這種‘雙管齊下’的策略，重新發掘并利用一些現有的老式抗生素。”

　　微觀結構在自然界中隨處可見。韭菜、荷葉和玫瑰花瓣表面的微小波紋，有助于植物將水分排出；鯊魚鱗片上的微細棱紋，能夠有效降低游動時的阻力。此外，研究人員也曾探究過壁虎皮膚和蟬翼上那些毛發狀的微觀結構是如何起到阻礙細菌附著作用的。然而，盡管此前已有針對蛇皮微觀結構在色彩呈現和運動功能方面的研究，但其在抵御細菌方面的潛在功效卻一直尚未知曉。

　　為了揭開這一謎底，捷克布拉格化工大學的Václav Peroutka團隊，對球蟒的鱗片進行了詳盡的微觀觀察。結果發現，這些鱗片表面密布著呈陣列排布的微觀棘刺。每一根棘刺的長度約為9微米，其大小大致相當于一個單體細胞。研究人員推測，這些棘刺或許能夠有效抑制生物膜的形成，生物膜通常是由微生物群落分泌出一層具有保護作用的黏液層所致，這層黏液有助于微生物牢固地附著在物體表面。生物膜不僅能將營養物質鎖在內部、將抗菌藥物阻擋在外，還能充當微生物之間進行基因交換（包括抗生素耐藥基因的傳遞）的媒介。依附于生物膜中的細菌，其耐藥性往往比那些處于游離狀態的細菌高出多達1000倍。

　　該研究團隊利用從捷克皮爾森動物園收集的球蟒蛻皮，將單片鱗片固定在細針上，并將一部分的鱗片置于富含大腸桿菌的培養液中進行孵育，另一部分置于金黃色葡萄球菌培養液中。

　　48小時后，作為對照組的聚苯乙烯塑料樣本表面已完全被厚實且發育成熟的生物膜所覆蓋。相比之下，球蟒鱗片對這些微生物表現出了顯著更強的抵御能力：附著在鱗片表面的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌數量分別減少了88%和78%。在顯微鏡下觀察，鱗片表面僅有零星的細菌附著，這些細菌大多是在尖刺之間的縫隙中找到了藏身之處。

　　研究人員提出了幾種推測性的機制，試圖解釋這些尖刺是如何抑制生物膜形成的。這些突起或許限制了細菌能夠接觸到的表面積，又或者迫使細菌形成在幾何結構上不穩定的排列。研究人員還指出，另一種可能性是：這些尖銳的頂端在物理層面上損傷了細菌的細胞膜，或者以某種方式抑制了它們分泌生物膜凝膠的能力。

　　Parnell表示，他原本希望能看到更多針對具體作用機制進行鑒定的研究工作。“他們將細菌引入這些表面，隨后便觀察到細菌無法附著。但其中缺失了一個關鍵環節，探究在這兩者之間究竟發生了什么？”澳大利亞陽光海岸大學的Gregory Watson指出，若要將仿生設計加以調整與優化，最終轉化為實用的產品，理解其具體的機制至關重要。“我們可以對這類特性進行進一步的強化，通過化學手段，我們能夠創造出許多自然界本身無法生成的事物。”

　　Parnell同時指出，如果微結構抗菌產品未來能夠得到普及，公眾在觀念上也必須接受一種轉變。“如果我們轉而采用一種不依賴化學藥劑的抗菌體系，我們就必須接受這樣一個事實：其殺菌效率將會顯著降低。”他說道，“不過，另一個額外益處是，我們將能夠把這類抗菌材料應用到更廣泛的場所之中。”

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acsomega.5c12739