細菌生物被膜中群體感應調控機制及其控制研究展望

舒 琴，牛永武，陳啟和

(浙江大學食品科學與營養系,浙江杭州310058)

近些年來，微生物感染導致的人類疾病多與細菌生物被膜密切相關，生物被膜形成的調控機制已經成為研究熱點[1]?？股刈鳛榭垢腥镜闹饕幬?，對維護人類健康發揮了重要作用。抗生素的濫用導致的細菌耐藥性問題、不良反應及其他危害已經越來越嚴重，因此，細菌生物被膜引起的相關頑固性和慢性疾病急需有效的控制方法[2-3]。單細胞微生物增殖到一定數量，形成多細胞體，嵌合在惰性或者活性基質中，從而形成生物被膜[4]。面對不利環境條件，生物被膜具有生長緩慢、基因表達差異、側向基因水平提高、抗生素耐藥性和抗逆性提高以及破壞宿主防御系統等優勢[5-7]。生物被膜的形成需要經歷3個階段：細菌黏附階段、生物被膜成熟階段和生物被膜分散階段[1,8-9]。臨床發現幾種重要的致病菌都是通過生物被膜的形成介導人體感染，包括囊性纖維化相關的銅綠假單胞菌，下呼吸道和手術部位相關的金黃色葡萄球菌，肺炎引起的流感嗜血桿菌、鏈球菌、牙髓變形鏈球菌、血鏈球菌、核梭桿菌、干酪乳桿菌和內氏放線菌等[5,10]。

單一菌種的生物被膜由遺傳物質相同但功能不同的細胞構成三維立體結構，這些細胞分化成不同類型的組織在生物被膜的建立、維持和擴散等方面起到重要作用。生物被膜可對營養缺乏、環境變化及外源侵襲作出響應。當細胞密度達到一定閾值，生物被膜中微生物可通過群體感應(QS)傳遞信息觸發這種抗性機制[11]。生物被膜中由自體產生的胞外聚合物基質主要包括胞外多糖、脂質、核酸[12-13]以及其他提供剛性和附著性的不溶性成分，包括纖維素、淀粉類、表面黏附分子、菌毛和鞭毛等[14]。在生物被膜結構中，多種結構蛋白表達，有助于其發揮流變學特性[14-15]。

Curli是一種功能性淀粉樣蛋白纖維，是胞外基質的關鍵成分，多產生于腸桿菌屬(包括大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌)。這些纖維對干燥環境、氧化應激反應、蛋白酶及抑菌劑都具有抗性，在生物被膜的形成過程中起著至關重要的作用。作為功能性物質，Curli纖維具有非常強的穩定性，可作為生物被膜的支架，而且在致病機制、宿主細胞黏附、侵襲以及免疫激活中都顯示出重要功能[15]。

在生物被膜形成的3個階段中，擴散是導致致病性細菌分散并定殖于宿主器官和組織的主要原因，但是其機制并沒有研究清楚[16]。生物被膜擴散的調節已經成為醫學研究的一個新興領域，包括對處于自由分散狀態的耐藥菌的研究和對繼發性生物被膜感染的預防[8,17]。通常情況下，脫氧核糖核酸酶(脫氧核糖核酸酶I)和糖苷水解酶(分散素B)等酶可作為以胞外聚合物基質為靶點的生物被膜傳播劑?？股锉荒る?cathelicidin)、分散信號(NO和順式-2-癸烯酸)、抗基質分子(殼聚糖、鼠李糖脂及尿素)和多價螯合分子(EDTA和lectoferrin)也可用于生物被膜的傳播[18]。為了在多細胞生態位中同步發揮作用，細菌必須采用有效可靠的通信手段來進行種內和種間的交流。已有研究在幾種食源性致病菌的生物被膜中觀察到這些的相互作用[19]。據Han等[20]報道，由生物被膜導致的抗菌素耐藥性、持久性及毒力因子引發了60%的食品安全事故爆發。在復雜生物被膜中，細菌采用群體感應(QS)因子作為通信手段，以協調和合作增殖、維持和傳播[21-22]。通過響應閾值密度而觸發的QS可調節基因差異性表達，并介導毒力、耐酸性和生物被膜生成[23]。

本文中，筆者將對生物被膜的形成、QS對生物被膜的調控機制和生物被膜的控制策略進行系統性闡述，并對抑制生物被膜感染的途徑提出新觀點，綜述中討論的概念總結在圖1中。

圖1 群體感應(QS)與生物被膜形成的關系示意 Fig.1 Schematic diagram of relationship between quorum sensing (QS) and biofilm formation

1 生物被膜的形成

細菌由浮游狀態到聚集狀態是一個復雜的動態過程，其中涉及細胞表面分子、物質利用途徑和毒力因子等多方面的變化，最終達到促進細菌在不利環境中生長的目的[8]。生物被膜由兩部分構成：微生物細胞及其分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)。胞外聚合物作為生物被膜的結構成分，主要由胞外多糖、蛋白質和胞外DNA(extracellular DNA，eDNA)構成。多糖可為細胞的凝聚和黏附提供作用位點，蛋白為細菌提供碳源和氮源，eDNA可介導抗性基因在生物被膜中的傳遞[13]。最新研究發現，在營養充足的環境中，EPS的產量和生物被膜的形成存在直接關聯[24]，并且其成分也會隨著養分供給和溫度的變化而變化[8]。豐富的聚合蛋白、纖維素、細胞碎片、凝膠多糖、淀粉樣蛋白和eDNA為生物被膜提供了良好的彈性、穩健性和高拉伸強度，且能提高QS對細胞的調控作用[8,14]。細胞外基質也能調節細菌的擴散、聚集和黏附，從而為形成生物被膜創造適宜的酸性環境。此外，致病生物被膜中大細胞生物量有助于降低生物被膜的擴散，并構成擴散的連續抗性模型，這不利于防治處理中抗生素滲透，而弱酸性藥物可以增強抗生素的滲透性和有效性[25-26]。基于功能差異性，EPS可以分為三大類：第Ⅰ類為構成參與信號和結構調節的結構性EPS；第Ⅱ類包括提供針對宿主免疫系統和生理應力的保護性EPS；第Ⅲ類包含黏附和生物被膜發育中涉及的聚集類EPS。

在不利的自然環境中，細菌為獲得有利的棲息地、營養物質并生存下來，觸發默認的防御機制，形成生物被膜[27-28]。雖然細菌生物被膜形成的總體機制相似，但它們之間可能存在細微的差異[28]。 細菌生物被膜的生長通常是物理作用、化學作用和生物作用的統一結果，通常分為3個階段：①初始附著(可逆和不可逆)；②小菌落的成熟;③分散[29]。細菌產生黏附素，附著于表面，而細胞-細胞黏附機制可介導生物被膜的成熟，最后降解生物被膜基質的酶介導生物被膜的分散[30]。

1.1 初始附著階段

致病性細菌形成生物被膜具有機會性，當浮游細胞與表面接觸時，它們通過物理作用或細菌的菌毛或鞭毛[27]黏附于其上，該階段被稱為可逆附著，由于細菌和表面之間的弱相互作用，初始相互作用是瞬時和可逆的[12，31]。細菌細胞附著在表面上，被稱為黏附，而細胞間的附著被稱為粘連[12，32]。生物被膜對材料的黏附主要受疏水相互作用、空間相互作用、蛋白質黏附、靜電相互作用和范德華力的控制[12，31-32]。

當生物被膜中的吸引力大于排斥力時，一些可逆附著的細胞保持固定并形成不可逆地附著[12]。已知葡萄球菌生物被膜具有超過20種相關的黏附素，在介導生物被膜的初始附著和成熟過程中的細胞間粘連中具有重要作用[30]。這些黏附素包括共價的細胞壁蛋白(如SasX)[28,33]，以及非共價結合的蛋白和非蛋白因子[28]。Edwards等[35]研究發現，表皮葡萄球菌與聚合物表面的初始附著由表面相關的自溶素(At1E)控制，并且生物被膜形成由生物被膜相關蛋白介導。金黃色葡萄球菌表達2種纖連蛋白結合蛋白FnBPA和FnBPB，可誘導細菌侵入上皮細胞、內皮細胞和角質形成細胞。一些蛋白質通過改變細菌表面的生理化學特征來改變細菌的黏附行為。例如，研究觀察到纖連蛋白、纖維蛋白原和層粘連蛋白可促進細菌黏附到生物材料和組織上[34-35]。

1.2 成熟階段

在這個階段，黏附的細胞通過產生自身誘導信號相互作用而生長、成熟，這將會導致生物被膜特異性基因的表達[12]。細菌分泌自誘導劑分子可促進毒力的產生和基因調節的信號傳導。成熟階段的細菌開始分泌包圍細胞的EPS，從而穩定生物被膜網絡并保護自身免受抗生素的侵害[12]。據Gupta等[12]報道，在成熟過程中，銅綠假單胞菌釋放出3種多糖(藻酸鹽、Pel和Psl)，為生物被膜提供穩定性。除EPS外，還發現eDNA負責細胞通訊和穩定化生物被膜。在初始附著中，表皮葡萄球菌多糖細胞間黏附抗原(PIA)起作用，并且還保護增殖細菌免于多形核白細胞的侵襲。在細胞積累和聚集期間，細菌在表面上形成不同的細胞簇層，這些由此產生的微小菌落隨后成熟為大孔隙，被包裹在EPS中，其中發生了細胞間信號傳導和群體感應[32]。總體而言，成熟過程包括2個階段：階段Ⅰ為細胞間通信和自誘導劑信號分子(如N-?；呓z氨酸內酯(AHL))的產生；階段Ⅱ為微菌落大小和厚度增加到大約100 mm，形成大孔隙[28,36]。

1.3 分散階段

分散是生物被膜形成過程中的關鍵階段，因為它是細菌一個區域擴散到另一個區域的行為，從而導致相關疾病的傳播感染。通常，生物被膜由2個不同的膜層組成：微生物細胞存在的基質膜以及它們擴散到周圍環境中的表面膜，以保持生命的延續和菌落的擴大[32]。細胞的分散行為是通過單個細胞或從生物被膜脫落的細胞團進行，Gupta等[32]認為這是由缺氧(在需氧生物被膜的情況下)或饑餓引發的程序化過程。這種饑餓刺激小分子，如脂肪酸DSF(順式-11-甲基-2-十二碳烯酸)，可觸發自身磷酸化并活化c-di-GMP磷酸二酯酶，從而降解c-di-GMP。c-di-GMP的降解導致通過剪切力或溶解一部分EPS的浮游細胞從生物被膜中釋放[32]。除了參與EPS溶解的基因調控途徑外，還有其他機制誘導生物被膜的擴散[37]。例如，生物被膜內的細菌細胞產生糖分解酶，破壞生物被膜穩定多糖，從而釋放表面細菌，被釋放的細菌細胞可在其他區域建立更多的生物被膜[32]。EPS的溶解是一個引起廣泛關注的重要領域，因為它可成為抑制生物被膜和預防相關疾病傳播感染的關鍵。

2 QS在生物被膜形成中的調控作用

2.1 細菌中的QS機制

QS通過介導細胞間的信息傳導，對生物被膜的形成起著至關重要的調控作用[32]。當細菌密度達到一定閾值時，浮游狀態的細胞觸發QS機制，聚集形成多細胞實體并分泌信號小分子進行細胞間交流，這些信號分子對細菌遺傳學和生理學都有著廣泛影響[4]。群體感應可通過改變細胞的基因表達，表現出介導生物被膜發育、抗生素耐藥性、運動和病原體的毒力等功能[38-39]。QS因子介導生物被膜功能的機制受環境因素的影響，如pH、營養和信號流速等[40]。群體感應不僅僅存在于細菌中，也在真核微生物(如念珠菌和組織胞漿菌屬)、病毒中發揮作用[22]。細菌中QS突變體使QS系統成為潛在的抑菌靶點，從而降低細菌的毒力[22]。QS作用機制已經在致病性細菌中被廣泛研究，包括金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢桿菌、銅綠假單胞菌和霍亂弧菌。細菌中的典型QS系統由2個主要組分組成：自身誘導物(autoinducers,AIs)和它們的膜結合同源受體。AI是微小的可擴散的細胞外信號分子，由生長期間的細胞分泌，產生正反饋回路，在細胞密度響應應答中協調誘導或抑制多種靶基因。AHL是最常見的AI，并且它的信號傳導機制已經被深入研究。

2.1.1 革蘭氏陽性菌QS系統

QS調節革蘭氏陽性細菌的多個過程，包括遺傳物質的表達、毒力反應和抗菌肽的產生。 革蘭氏陽性細菌中的QS利用翻譯后修飾的肽，通過雙組分適應性應答途徑介導其作用，能夠適應動態環境條件的改變和磷酸化/去磷酸化級聯的信號傳遞，最終誘導靶基因的轉錄調控。

金黃色葡萄球菌可分泌多種毒力因子并具有耐藥性，可在多種表面形成生物被膜，造成嚴重的感染風險，是威脅公共衛生安全的常見病原菌。由葡萄球菌agr基因編碼的QS系統通過具有雙組分系統的經典信號傳導模塊控制毒力和其他輔助基因的表達。與經典酶誘導不同，金黃色葡萄球菌agr系統可在非最優條件下自動激活，并且能夠通過誘導排他性和協調的群體范圍響應來區分自身和非自身[41]。agr系統中的AI是寡肽類(autoinducing peptides,AIP)，由agrD編碼并由AgrB激活和分泌。組氨酸激酶AgrC在與細胞外AIP結合后進行自身磷酸化并激活AgrA。磷酸化的AgrA可誘導RNAIII的表達，RNAIII與細菌生物被膜的附著、毒素和外蛋白酶的產生有關[41]。金黃色葡萄球菌中的生物被膜形成是致病的主要原因，并且可通過agrQS系統的活化將細菌從附著于表面的共生狀態轉換為入侵化膿性關節炎、骨髓炎和肺部感染的致病因子。

2.1.2 革蘭氏陰性菌QS系統

LuxI/LuxR系統是革蘭氏陰性菌中QS的原型。LuxI是產生AHL的AHL合成酶，可在高濃度下結合并穩定同源LuxR受體。AHL-LuxR受體蛋白復合物可激發幾種基因的表達，同時在前饋反應中自誘導LuxI表達以產生更多AHL，并引起信號放大。幾種致病微生物皆利用LuxI/LuxR型QS路徑誘導毒力產生[41]。革蘭氏陰性細菌利用具有擴散性的AHLs穿過細胞膜并與受體細胞中的調節蛋白結合發揮作用。依賴AHLs的QS系統首先在V.fischeri中被發現，V.fischeri是一種生物發光海洋細菌，棲息在幾種魚類的光合器官中。由V.fischeri產生的AI在光合器官中累積并超過閾值濃度，啟動信號級聯誘導表達編碼熒光素酶復合物的結構組分的luxCDABE基因。在這個LuxI/LuxR的 QS系統中，AI由LuxI產生而自由地擴散進出細胞并變構刺激與pR啟動子結合的轉錄調節因子LuxR[42]。LuxR在沒有配體AI的情況下不穩定并迅速降解;然而，生產性AI-LuxR結合發生在閾值AI水平之上。啟動邏輯與反饋拓撲的相互作用是LuxI/LuxR系統具有多功能性的基礎[42]。LuxR/LuxI正反饋系統報告了不同的響應，而雙正/負反饋系統可觀察到同步作用。雖然大多數基于AHL的QS系統被稱為LuxI型合酶和LuxR型受體，而基本的AHL依賴系統分別由編碼AHL合成酶和AHL響應轉錄激活因子的I和R基因組成，一些革蘭氏陰性細菌通常具有更復雜的QS信號機制。

臨床上最常見的致病微生物銅綠假單胞菌，也是革蘭氏陰性菌，可引起人類慢性肺部感染。銅綠假單胞菌中的QS系統作為一個復雜的等級組織存在，可通過多個途徑之間的串擾建立大量基因之間的協調合作[43]。P.aeruginosa中的QS特征在于las和rhl系統，其與來自V.fischeri的lux系統具有相似性。2種系統中的AHL合成均由LuxI型合成酶介導，除了調節毒力因子的表達外，它們還與宿主免疫應答直接相互作用。另外，假單胞菌喹諾酮信號(PQS)QS系統充當las和rhl系統之間的介體調節途徑，并調節許多也受las和rhl系統控制的基因，包括毒力因子和生物被膜形成的基因。宿主中銅綠假單胞菌的完全毒力基本上需要3個QS系統相互作用進行調控。

2.2 QS對生物被膜形成的影響

生物被膜形成是一個復雜的發育過程，從弱靜電相互作用介導的初始可逆附著開始，例如范德華力和疏水相互作用，然后通過特定黏附蛋白和EPS的作用發生不可逆的附著[44]，導致生物被膜的形成過程涉及大量基因表達的變化[45]。微菌落的形成和生物被膜的成熟，是一個涉及復合細胞外基質的合成和分泌(或通過細胞裂解釋放)的過程[46]。

鮑曼不動桿菌(A.baumannii)是醫院感染的重要病原菌。近年來的感染病例在增多，且其耐藥性日益嚴重，已引起臨床和微生物學者的嚴重關注。A.baumannii主要引起呼吸道感染，也可引發敗血癥、泌尿系感染、繼發性腦膜炎等。多藥外排泵是存在于細菌細胞膜上的一類蛋白質，在耐藥性、細胞分裂和致病性以及QS信號分泌中發揮著重要作用[47]。臨床分離的A.baumannii菌株長時間培養后有60%數量的菌株形成了生物被膜。在A.baumannii中，AdeFGH外排泵參與臨床菌株生物被膜形成過程中自誘導劑分子的合成和轉運[48]。值得注意的是，A.baumannii臨床菌株中的生物被膜誘導形成與abaI和adeG基因的出現呈一致性，表明AdeFGH和AbaI聯合上調對生物被膜發育具有顯著影響[48]。此外，選擇AdeRS(雙組分調節系統)過度表達AdeABC外排泵與該病原體中的生物被膜形成和毒力表型相關[49]。

2.3 QS調節生物被膜EPS的合成和釋放

由銅綠假單胞菌產生的糖脂主要是鼠李糖脂(Rhl)，一種生物表面活性劑，可以促進細菌從生物被膜分離來影響生物被膜形成[50-52]。銅綠假單胞菌產生2種類型的Rhls，第1種是mono-Rhls，由rhlAB操縱子編碼的酶合成。鼠李糖基轉移酶催化脂肪酸二聚體和TDP-L-鼠李糖形成mono-Rhls。第2種類型為di-Rhls，含有2個鼠李糖基，使用mono-Rhls和TDP-L-鼠李糖作為底物由RhlC鼠李糖基轉移酶產生[55]。通過QS系統，Rhl的產生可在轉錄水平上與彈性蛋白酶和綠膿素等不同的毒力相關性狀相協調。這些Rhls在成熟生物被膜的細胞分散中起重要作用。

eDNA是銅綠假單胞菌生物膜基質的主要組成部分之一，主要是由QS控制的喹諾酮2-N-庚基-4-羥基喹啉-N-氧化物(HQNO)介導的細胞溶解釋放的[54]。這種喹諾酮是PQS控制的分泌因子之一，但與MvfR受體(HHQ及其衍生物PQS)的特定配體不同，HQNO沒有同源的QS受體。相反，HQNO通過在bc1細胞色素水平上抑制Q循環而直接起作用，從而促進活性氧物質(ROS)的生成，如超氧化物和H2O2，進而損害細胞膜，促進細胞溶解和eDNA釋放。該過程類似于細胞凋亡，并且顯然在臨床銅綠假單胞菌菌株中廣泛存在。此外，生物被膜基質中eDNA的存在增加了它們的穩健性和抗生素耐受性[54]。另一種為生物膜形成提供eDNA的機制涉及由隱式噬菌體內溶素介導的爆炸性溶解和膜囊泡形成引起的溶解[55]。

3 生物被膜控制策略研究

生物被膜相關疾病中，抗生素抗性的出現導致確認了幾種原核和真核來源的抗生物被膜化合物。QS是調節生物被膜形成和細菌毒力的必要條件，已成為鑒定和生成抗生物被膜化合物的目標[21-22]。此類化合物可使群體感應系統沉默，這種現象被稱為群體淬滅(QQ)[4]。干擾QS信號，破壞eDNA、蛋白質、脂多糖、EPS和第二信使，構成了生物被膜形成的抑制途徑[56]。生物被膜結構上的穩定性和穩健性既能降低抗生素的滲透性，又能促進細菌的抗性傳遞，因此對抗生素防治處理造成了巨大挑戰。在某些情況下，生物被膜的破壞可能需要機械、物理和化學手段[11]。QQ分子、黏附抑制劑、EPS破壞劑和競爭性微生物是清除微生物生物被膜的常見方法[57]。

3.1 群體感應抑制劑(QSI)

針對QS系統的天然/合成化合物被稱為群體感應抑制劑(QSI)，通過QQ機制發揮作用[10,58-59]。QSI大致分為3個不同類別：第一類包括通過化學修飾降解自身誘導劑的酶。例如，在細菌、古細菌、海洋物種和其他一些微生物中發現的內酯酶、酰胺酶、還原酶和細胞色素氧化酶。Koul等[61]通過比較基因組學分析揭示了分別在假單胞菌屬和芽孢菌屬中存在編碼AHL?；D移酶和AHL內酯酶的基因[60]。Huma等[62]研究發現，芽孢桿菌屬中編碼AHL內酯酶基因存在著顯著的生物多樣性和多態性。第二類包括天然化合物。如，酚衍生物(鞣質、黃酮類、苯基庚烯等)、吲哚衍生物、生物堿、呋喃酮、內酯、有機硫化合物和乙醛[62]。第三類為QS分子的合成類似物。如，AHL類似物(大環內酯類、阿奇霉素、呋喃酰肼和環己酮)和內酯類似物[4]。

天然抗生物被膜物質及合成類似物、螯合劑、羊毛硫抗生素也用于抑制生物被膜生長，包含一種以上抗生素的聯合療法用于治療由多種異質生物被膜引起的細菌感染[1]。另外，天然存在的或通過基因工程產生的抗微生物肽(廣譜殺菌肽R-FV-I16)對抑制生物被膜的分散是有效的。幾種特異性靶向抗微生物劑(STAMPs)被設計為選擇性地對病原體起作用，而不影響非致病性細菌。

生物被膜降解酶也可用于破壞EPS基質，影響生物被膜穩定性，并且分散劑與抗微生物劑的協同作用有利于破壞剛性生物被膜。目前，已知來自人角質層的脫氧核糖核酸酶I衍生物可破壞銅綠假單胞菌和臨床耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)的生物被膜，而來自枯草芽孢桿菌的α-淀粉酶可抑制銅綠假單胞菌ATCC 10145和葡萄球菌的生物被膜。

3.2 黏附抑制劑

降低生物被膜表面黏附性是控制生物被膜形成的重要手段。在乳制品行業中，表面活性劑消毒是去除金屬和玻璃表面生物被膜的常見做法。大多數有效的表面活性劑包括陰離子、離子和堿性化合物，而其他酸性化合物、酚類、碘、氯、苛性物質和過乙酸也可通過改變表面的物理化學性質來抑制生物被膜的形成[63]。表面活性劑會影響鞭毛的生長，導致微生物與基質的黏附性差，從而抑制生物被膜的形成[64]。由假單胞菌屬(Pseudomonasspp.)生產的鼠李糖脂作為一種生物表面活性劑，可以抑制金黃色葡萄球菌、腸炎沙門氏菌和單核細胞增生李斯特菌等幾種病原體的生物被膜，并有可能作為合成洗滌劑、發泡劑、乳化劑、增溶劑和保濕劑應用于食品工業中[65]。生物制劑,如酶基洗滌劑和噬菌體顆粒等因具有良好的抗生物被膜潛力而越來越受歡迎。用蛋白水解酶和其他酶進行預處理可有效地防止乳制品中的保加利亞乳桿菌和乳酸乳桿菌形成生物被膜。噬菌體顆粒還可殺死傷口生物被膜中的抗性微生物，應用于植入物和導管相關的疾病感染中[66]。

4 結論與展望

與生物被膜相關的微生物感染已經成為公共衛生、食品、農業等部門關注的重要問題。生物被膜的分散性和傳播性，對抗生素的耐藥性、形成內毒素的能力(革蘭氏陰性菌)以及對宿主免疫系統的固有抗性都成為解決病原菌感染的重要障礙。目前，人們致力于開發新型手段控制與生物被膜有關的病原菌感染：①確定生物被膜特異性轉錄組，以鑒定生物被膜形成不同階段的基因，從而通過特異性分子階段控制機制破壞生物被膜；②尋找天然有效的QS抑制劑也成為抑制生物被膜感染的重要途徑；③納米顆粒抗生素成為新興的研究領域，具有顯著的抑菌效果；④開發具有抗生物被膜形成的天然洗滌劑，通過衛生、食品和乳制品行業的消毒殺菌來清除生物被膜。

最近二十年研究人員在生物被膜領域的開創性研究揭示了這種細菌群體生活方式的各個方面，但是微生物群落對生物被膜形成的內在控制機制需要進一步的探究。群落生活作為一種自然現象，經常出現遺傳信息類似的細胞為適應環境，通過選擇性表達獲得表型不同的特征的現象。細菌分化通常來自不對稱分裂，獲得具有不同特征和功能的后代，而濃度依賴性細胞因子和細菌密度變化可誘導功能性細菌在生物被膜中差異性分布。少量功能衰老的細胞積聚在生物被膜內的復雜區域。因而，介導衰老的觸發因素和分子物質，導致表型變異的響應性差異基因表達，勞動分工行為的誘導因素及生物被膜內的化學環境都是未來需要深入研究的問題，從而為理解多物種的動態聯盟提供新的研究線索。