我该走还是该留？这是人们在人生旅途中经常问自己的问题，但细菌也在问同样的问题。字体弗吉尼亚理工大学理学院生物科学系副教授杨获得了美国国家科学基金会(NSF)100万美元的资助，用于研究细菌如何决定是否离开并建立生物膜或开始转移到一个新的领域。

“细菌生物膜对我们的生活和社会有着深远的影响，因为它们可以在如此多的表面上形成，”弗洛林生命科学研究所的附属教师杨林说。“大多数急性感染是由自由生活的细菌引起的，大多数慢性感染与宿主体内生物膜的形成有关。慢性感染难以治疗的部分原因是因为生物膜中的细菌病原体对抗生素的耐药性更强。”

许多人可能认为细菌是狂热的游泳者，它们螺旋桨般的鞭毛可以帮助它们在开阔的海洋、淡水水体或其他水环境中放大。但杨说，这是一个误解，原因有二。

首先，细菌的运动只是暂时的。事实上，细菌大部分时间都生活在生物膜中，生物膜是附着在固体表面的固定或固定结构。生物膜就像细菌群落。房子和道路都是用自制材料建造的。但有时，特别是当疾病恶化时，细菌可能会选择连根拔起，转移到更有利的地方，建立新的生物膜。

他们必须做出严肃的决定。“固着和运动状态的来回转换是细菌的生死决定。正确的行动导致未来的繁荣，但错误的行动导致危险的旅程，”杨说。其次，大多数细菌甚至没有鞭毛，为了生存，有些细菌必须在表面爬行或滑行。

在过去，人们往往是游牧民族，他们一直生活。然后是另一个社会，人们定居下来，创建社区。无论你是游牧民族还是居住在定居点。你可以这样看待细菌。”杨说，生物膜与运动状态之间的转换主要是用鞭毛细菌来研究的。研究人员非常清楚在地表爬行的细菌是如何做出并执行它们的决定，是坚持下来并定居下来，还是连根拔起并迁移到一个新的地方。

细菌必须在分子水平上做出改变，然后才能将最终决定付诸行动。为了发展生物膜，细菌必须首先使其运动装置和运动蛋白失效，然后产生生物膜的建筑材料。为了移动到其他地方，细菌必须停止产生允许它们留在生物膜中的分子，然后建立和启用它们的移动结构。

他解释说：“一方面，它是一种运动装置，可以像抓钩一样通过拉伸和收缩使许多细菌爬过表面。另一方面，它是一种粘附素和调节剂，可以增强生物膜的形成。”杨专门研究第四型菌毛(T4P)，即在细菌表面发现的毛发状表面结构，以了解它们令人困惑且几乎矛盾的功能。

据推测，环状二GMP(细菌中的信号分子)可以通过与T4P运动蛋白PilB相互作用，开启或关闭T4P在生物膜形成和运动中的互斥功能。杨将黄石国家公园嗜热衣原体细菌的基因用于体外研究，将黄色粘球菌的基因用于体内研究。

为了让研究人员更深入地了解这些分子过程，该项目需要使用先进的成像和结构分析。杨与日本名古屋大学的高速原子力显微镜(HS-AFM)专家Takyuki Uchihashi合作。黛博拉凯利是这项研究的联合首席研究员，也是宾夕法尼亚州立大学生物医学工程系的cryo-EM专家。凯利也是哈克生命科学研究所结构肿瘤学新中心的主任。

“近年来，人们对低温电磁辐射的兴趣急剧上升。这项技术确实改变了我们对生命过程的看法。我们很高兴为杨博士的项目提供冷冻电镜的见解。我们可以一起发现微生物的新细节。生物膜形成和疾病起源之间的联系仍然是现代社会面临的主要健康风险。我们的工作旨在解决生物医学界未满足的需求，”凯利说。

Keane Dye，生物科学专业的三年级博士生，自从从事杨氏实验室的论文项目后，对这方面的专业知识有了一些了解。“我正在研究环二GMP和腺嘌呤核苷酸如何与PilB结合，以及两者的结合如何影响其他的结合。有必要了解这些相互作用，以便为PilB如何调节其功能提供一个生化框架。T4P流动性和生物膜的发展，”戴伊说。

谁会知道细菌在我们迫切需要创造社区和定居点方面与我们非常相似？杨感谢VT PREP和项目主任Ed Smith的支持。本项目前期工作得到了国家自然科学基金三项标准研究资助和美国国立卫生研究院杨实验室一项R01资助。