材料表面细菌运动动力学与生物膜形成的关联机制研究
批准号:
12104405
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
秦夏楠
依托单位:
学科分类:
软凝聚态与生物物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
秦夏楠
中文摘要
本课题拟研究材料表面的细菌运动动力学与其形成的细菌生物膜之间的定量关系,阐述两者间的关联机制,并基于此构建一种新的研究细菌生物膜调控的手段。即构建起细菌在材料表面的运动动力学行为与生物膜之间的定量模型,以实现对生物膜形成的精准定量化调控。为实现以上研究目标,本研究拟自主搭建新型单细菌追踪显微技术以获取材料表面处细菌的运动动力学数据,并观测细菌形成的成熟生物膜;对二者进行特征挖掘后,利用机器学习算法建立起定量的数学模型;建立起有效的定量模型后,本研究拟结合理论仿真对细菌在材料表面的运动动力学行为进行模拟,最终形成对生物膜调控材料制备的有效指导,并进行实验验证。本研究的实施将帮助我们进一步理解细菌生物膜的形成机制,并对抗菌、生物降解与生物合成材料的制备起提供新的理论指导和技术支持。
英文摘要
Bacterial motility at material surface plays important roles for the formation of biofilm. However, the underlying mechanism of how bacterial motility regulates biofilm formation remains elusive. In this proposal, I propose to study the quantitative relation between the dynamics of bacterial motility and the quantitative parameters extracted from the formed biofilms. Based on this, I propose to build statistical machine learning models between the aforementioned two. Then, I propose to simulate the active dynamic motion of bacteria on the surface of materials and find the dynamic parameters of bacterial motility from the simulation. Combining the aforementioned results, I propose to design material surficial structures and the chemical/physical environment near the surface, and finally realize accurate manipulation of biofilm formation. The proposed researches can help us better understand how biofilms are regulated by the motility of bacteria at the early stage. Also, the proposed researches can provide important guidance and support to related research/industrial field for design and fabrication of biofilm manipulation materials.
不同表面特性的材料会对其表面的细菌产生一系列相互作用,进而影响细菌在材料表面的运动、附着和群落形成。基于材料表面特性对表面细菌行为的影响规律,可实现抗菌抑菌等调控。在项目支持下,我们针对相关内容开展了一系列研究工作。首先,项目组自主设计算法和代码,研发了基于Python-OpenCV的单细菌追踪显微成像分析软件,并利用该软件成功分析了非致病性大肠杆菌在玻璃表面附近的运动。其次,以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维、琼脂为研究对象,通过浸轧、涂敷聚甲基丙烯酸(PMAA)、碱处理等方法调控以上高分子材料表面的带电特性,研究了细菌在其表面聚集形成群落或其抗菌抑菌特性,发现材料表面负电性的增加有可能因为与负电性细菌表面相斥,减少了细菌在材料表面的附着生长,但负电性表面本身并不能够直接杀灭细菌产生抗菌效果。然后,以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)这一常见季铵盐为例,研究了季铵盐辅助加入后的碱处理对PET纤维抗菌抑菌性能的影响。实验结果表明,在PET碱处理中加入季铵盐,能够赋予PET纤维极佳的抗菌抑菌特性。项目组进而研究了CTAB与PET纤维相互作用的原理和形成抗菌抑菌特性的机制,通过改变季铵盐中碳链的长度,选用碳链长度为8、10、12、14、16、18的季铵盐(C8-C18)以及一种长链中带苯环的季铵盐(苄基三甲基溴化铵,Bn),沿用上节中的纤维制备及改性方法进行了实验,总结了季铵盐中碳链长度与其辅助碱处理在PET纤维形成抗菌抑菌特性的规律。最后,以PET纤维材料为例,我们研究总结了对这类高分子材料进行抗菌抑菌表面改性调控的具体方法。
SMR#3879 “微生物生理学中的定量准则:从单细胞到细胞群落”高级研修项目
-
批准号:12381240137
-
项目类别:国际(地区)合作与交流项目
-
资助金额:2万元
-
批准年份:2023
-
负责人:秦夏楠
-
依托单位:
国内基金
海外基金