球蟒得名于它的经典的防御姿态：它们会蜷缩成一个球状，并将头部紧紧收起。然而，它们的鳞片之下还隐藏着另一种远为精妙的防御机制：一种能够抑制细菌积聚的微观尖刺。近日发表于《ACS Omega》的一项研究，有望为开发基于物理机制而非化学作用的抗菌材料提供灵感。

球蟒的微米级的鳞片能够抑制细菌生物膜的形成。

图片来源：David Kleyn/Alamy

英国谢菲尔德大学的聚合物物理学家Andrew Parnell表示：“我们可以将物理机制与抗生素结合起来协同作用。或许能够采用这种‘双管齐下’的策略，重新发掘并利用一些现有的老式抗生素。”

微观结构在自然界中随处可见。韭菜、荷叶和玫瑰花瓣表面的微小波纹，有助于植物将水分排出；鲨鱼鳞片上的微细棱纹，能够有效降低游动时的阻力。此外，研究人员也曾探究过壁虎皮肤和蝉翼上那些毛发状的微观结构是如何起到阻碍细菌附着作用的。然而，尽管此前已有针对蛇皮微观结构在色彩呈现和运动功能方面的研究，但其在抵御细菌方面的潜在功效却一直尚未知晓。

为了揭开这一谜底，捷克布拉格化工大学的Václav Peroutka团队，对球蟒的鳞片进行了详尽的微观观察。结果发现，这些鳞片表面密布着呈阵列排布的微观棘刺。每一根棘刺的长度约为9微米，其大小大致相当于一个单体细胞。研究人员推测，这些棘刺或许能够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层具有保护作用的黏液层所致，这层黏液有助于微生物牢固地附着在物体表面。生物膜不仅能将营养物质锁在内部、将抗菌药物阻挡在外，还能充当微生物之间进行基因交换（包括抗生素耐药基因的传递）的媒介。依附于生物膜中的细菌，其耐药性往往比那些处于游离状态的细菌高出多达1000倍。

该研究团队利用从捷克皮尔森动物园收集的球蟒蜕皮，将单片鳞片固定在细针上，并将一部分的鳞片置于富含大肠杆菌的培养液中进行孵育，另一部分置于金黄色葡萄球菌培养液中。

48小时后，作为对照组的聚苯乙烯塑料样本表面已完全被厚实且发育成熟的生物膜所覆盖。相比之下，球蟒鳞片对这些微生物表现出了显著更强的抵御能力：附着在鳞片表面的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌数量分别减少了88%和78%。在显微镜下观察，鳞片表面仅有零星的细菌附着，这些细菌大多是在尖刺之间的缝隙中找到了藏身之处。

研究人员提出了几种推测性的机制，试图解释这些尖刺是如何抑制生物膜形成的。这些突起或许限制了细菌能够接触到的表面积，又或者迫使细菌形成在几何结构上不稳定的排列。研究人员还指出，另一种可能性是：这些尖锐的顶端在物理层面上损伤了细菌的细胞膜，或者以某种方式抑制了它们分泌生物膜凝胶的能力。

Parnell表示，他原本希望能看到更多针对具体作用机制进行鉴定的研究工作。“他们将细菌引入这些表面，随后便观察到细菌无法附着。但其中缺失了一个关键环节，探究在这两者之间究竟发生了什么？”澳大利亚阳光海岸大学的Gregory Watson指出，若要将仿生设计加以调整与优化，最终转化为实用的产品，理解其具体的机制至关重要。“我们可以对这类特性进行进一步的强化，通过化学手段，我们能够创造出许多自然界本身无法生成的事物。”

Parnell同时指出，如果微结构抗菌产品未来能够得到普及，公众在观念上也必须接受一种转变。“如果我们转而采用一种不依赖化学药剂的抗菌体系，我们就必须接受这样一个事实：其杀菌效率将会显著降低。”他说道，“不过，另一个额外益处是，我们将能够把这类抗菌材料应用到更广泛的场所之中。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acsomega.5c12739