生物膜如何形成？

游朝慶

   形成生物膜可以區分為幾個步驟^11,12，第一步是附著(Attachment)，指的是微生物在無機或有機物表面上的黏附，成為接下來增殖的基礎(niche)。尤其處在固體-液體介面的交接處(例如水或血)更是適當的附著處。通常比較粗糙的表面、厭水的材質、增加流速(剪力上升)、適宜的溫度及附近營養來源充足會促使附著機會增加，起初，這種附著是可逆的reversible，或祇是對生物無害的contamination。（圖1¹³）我們以往常誤認為微生物是單獨行動且自由浮動的，我們稱此自由營生的個體為浮游狀態 (planktonic form)，然而自然狀態下，微生物往往傾向於附著，以便形成生物膜^14,15。
   附著之後第二步便是集結，建立微生物社群 (colonisationy)，細菌接著會不斷地增殖，或呼朋引伴，吸引同伴或聯軍，形成更穩固永久的附著（permanent attachment），這種群聚生長的狀態稱為固著狀態 (sessile form)，此時重要的是個體間的黏著和累積(accumulation)，分化(differentiate)、彼此交換基因以增加存活率^15,16。像這樣細胞與細胞間的訊息溝通在細菌學上稱為「群聚感應」(quorum sensing)^17,18。「quorum」指會議的法定人數，「quorum sensing」即是感應達到法定人數與否。有些細菌可能潛藏體內，等待有足夠同伴才向寄主發難，一舉克敵制勝。但細菌是怎麼感應的呢？他又不會說話，難道他是『來自星星的你』，有心電感應？想太多了，其實同種細菌彼此間會發出一種味道（可擴散訊息分子），等味道的濃度到了，就彼此知道軍隊已集結完畢，準備戰鬥合體神寵變身。而對於不同種細菌的聯軍，也能發出另一種共通的味道，以準備協同作戰。
   第三步，當細菌的族群密度已達到最低門檻，藉由「群聚感應」這道密令，細菌們開始集體分泌蛋白質、多醣體，醣脂質(glycolipid)，並促使某些細菌死亡並釋放eDNA^6,15,19 (這些都被稱為細胞外聚合體（extracellular polymeric substance，EPS），這EPS有時也被稱為史萊姆slime)，其中被釋放出的細菌DNA被認為是提供生物膜EPS基質的重要元素²⁰，但怎麼可能會有烈士願意被犧牲呢，難道是為了召喚混沌黑魔術師，而將黑魔導做祭品)，並形成3D的立體結構，外表則會包覆著具黏性(slime)的Polysaccharide多醣體，形成一穩定的碉堡結構，於是成熟的細菌生物膜社區就形成了(biofilm development)。
   最後（第四步）因應環境改變或特定原因下微生物群體破體而出 (spreading, dispersal)^21,22，再度成為單一自由營生的個體(planktonic bacteria)尋找下一個附著的目標，而成熟的生物膜將會持續地釋放細菌或生物膜碎片，如此周而復始為生物膜的一個週期，終究造成宿主的全身感染systemic infection。

圖1、多種細菌生物膜的形成過程¹³，分為四步驟，附著、群聚集結、生物膜形成、及擴散
11. Donlan RM: Biofilms: microbial life on surfaces. Emerg Infect Dis 2002;8:881-90.
12. Fux CA, Costerton JW, Stewart PS, et al: Survival strategies of infectious biofilms. Trends Microbiol 2005;13:34-40.
13. Phillips P, Sampson E, Yang Q, et al. Bacterial biofilms in wounds. Wound Healing Southern Africa 2008; 1(2): 10-12
14. Stoodley P, Sauer K, Davies DG, Costerton JW. Biofilms as complex differentiated communities. Annu Rev Microbiol 2002; 56: 187-209.
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16.Donlan RM, Costerton JW. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms. Clin Microbiol Rev 2002; 15(2): 167-93
17. Horswill AR, Stoodley P, Stewart PS, Parsek MR. The effect of the chemical, biological, and physical environment on quorum sensing in structured microbial communities. Anal Bioanal Chem 2007; 387(2): 371-80.
18. 關於 quorum sensing 的 TED Talk：Bonnie Bassler: The secret, social lives of bacteria， https://www.youtube.com/watch?v=TVfmUfr8VPA
19. Sutherland I. Biofilm exopolysaccharides: a strong and sticky framework. Microbiology 2001; 147(Pt 1): 3-9.
20.Rice KC, Mann EE, Endres JL, et al. The cidA murein hydrolase regulator contributes to DNA release and biofilm development in Staphylococcus aureus. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104(19): 8113-18
21. Boles BR, Horswill AR: Agr-mediated dispersal of Staphylococcus aureus biofilms. PLoS Pathol 2008;4:e1000052.
22. Kaplan JB: Biofilm dispersal: mechanisms, clinical implications, and potential therapeutic uses. J Dent Res 2010;89:205-18.