就像冬眠的熊一样，某些细菌细胞能够转变为“低功率”代谢状态，在这种状态下，它们可以稳定地生存而不生长。这种状态通常出现在抗生素耐药性感染的背景下，因为细菌会形成一种称为生物膜的粘性物质;这种低功率状态使生物膜核心中的细菌能够抵抗常用的抗生素。在这种情况下研究细菌历来给研究人员带来了技术挑战。

现在，研究人员开发了基于实验室的技术，使用高度通用、高通量的系统研究微型液体悬浮液中生物膜核心的代谢状态。新设备采用96通道恒电位仪(一种测量电压差的设备)，用微型电极测量每个液体孔的功率输出。

这项研究是加州理工学院的DianneNewman、GordonM.Binder/Amgen生物学和地球生物学教授兼Merkin研究所教授，以及日本国家材料科学研究所的AkihiroOkamoto和加州理工学院生物学和生物工程客座研究员合作完成的。研究结果发表在《细胞》杂志上的一篇新论文中。前研究生JohnCiemniecki(Ph.D.'24)是这项研究的第一作者;北海道大学的研究生Chia-LunHo和加州理工学院的RichardHorak也为这项研究做出了重要贡献。

研究团队利用该设备检查了低功率代谢状态下的铜绿假单胞菌(一种主要的医院获得性病原体，可引起多种急性和慢性感染)。

纽曼实验室研究假单胞菌已有数十年。特别是，该团队发现了一种名为吩嗪的小分子，细菌在缺氧的情况下利用这种小分子来促进新陈代谢。由于感染性生物膜深处通常没有氧气，吩嗪是假单胞菌生存的关键途径——因此，吩嗪可能是治疗药物的潜在有效靶点。

冈本和他的实验室多年来一直研究微生物电化学，最初开发了96通道恒电位仪装置，用于研究细菌Shewanellaoneidensis，这是一种用于能源和环境应用的模型生物。通过与Newman实验室的合作，冈本意识到了该装置的潜在生物医学应用。

“我们能够证明测量到的电流直接反映了代谢率，”Okamoto说道。“结合Dianne的方法，我们发现这个速率非常慢，适合进行机械解剖。”

借助96通道恒电位仪所开辟的实验能力，纽曼团队终于可以解决关于吩嗪和假单胞菌的长期问题。

研究小组比较了假单胞菌的许多不同条件和各种基因突变体，以确定细菌是否在最低代谢阈值下运作，并了解哪些酶是保存能量所必需的。他们发现，编码融合发酵和呼吸途径的生物能量机制的基因是细菌维持稳定的低功率停滞所必需的;如果没有这些基因，细菌会死亡得更快。

这项新技术可用于在多种条件下研究多种不同的菌株。

“据我们所知，到目前为止，还没有任何实验系统能够在细胞代谢活跃但不生长的情况下直接、高通量测量代谢功率输出，”纽曼说。

“我们现在有机会发现维持代谢的工作原理，这可能可以推广到其他生物体，这在非常基础的层面上非常有趣，但也与确定对抗顽固性感染的新药物靶点直接相关。”