细菌喜欢潮湿的表面。一旦它们在那里定居下来，它们就不再单独生活，而是形成更大的群体，嵌入保护膜中。这些生物膜存在于各种表面上，例如在家里的电灯开关上，在浴室里，在玩具或键盘上，在许多人用手触摸的购物车或自动取款机上。这可能导致接触性感染。这些细菌，如致病菌绿脓杆菌，通常是持久性的，不受人体自身免疫系统或化学杀菌剂的影响。因此，目前的研究方法是试图防止细菌在材料表面定植，或至少增加定植的难度。来自美因茨约翰内斯·古登堡大学(JGU)和位于科布伦茨的德国联邦水文研究所(BfG)的一个团队现在开发了一种使用二氧化铈纳米颗粒的新方法。

经过修饰的信号分子可以防止生物膜的形成

对于群落中的细菌生命来说，单个细胞之间相互“交谈”是很重要的。在信号分子不断释放到环境中的帮助下，细菌进行非语言的交流，因此不同的“语言”和“方言”可以根据特定的细菌产生。随着细菌浓度的增加，信号分子的浓度也随之增加。这使得细菌能够检测到环境中其他细菌的数量，并激活形成生物膜的过程。

为了防止细菌生物膜的定植，各种宿主通过酶修饰信号分子“沉默”细菌的策略来保护自己。例如，这是在卤过氧化物酶的帮助下完成的，卤过氧化物酶是一组通过复杂的反应链将信号分子卤化的酶。

这些经过修饰的信号分子具有与原始分子相似的结构，仍然可以与受体结合。然而，它们不能再激活导致生物膜形成的过程链。这种对细菌基因调控的干扰也具有药理学意义，因为致病菌可以通过形成生物膜来躲避免疫防御的攻击或抗生素的作用。

二氧化铈纳米粒子取代了天然酶的功能

美因茨和科布伦茨的研究人员用二氧化铈纳米颗粒(CeO2)模拟了这些过程。正如研究人员最近在ACS Nano上发表的文章中所解释的那样，CeO2纳米颗粒是盐过氧化物酶的功能性替代品。然而，生物膜抑制的分子机制很难详细阐明，因为不仅在细菌培养中发生了许多竞争性反应，而且除了卤化信号分子外，还存在大量其他生物分子。

美因茨和科布伦茨的合作伙伴通过在分子水平上分析反应级联，证明了CeO2纳米颗粒的酶-类似物催化参与。卤化信号分子是在模型反应中首次发现的。在细菌培养中，由于产物降解太快，因此无法直接检测出它们。然而，色谱分析和质谱分析意外地揭示了来自所谓喹诺酮家族的进一步卤代信号分子的形成。这表明CeO2纳米颗粒通过修饰和灭活信号分子，干扰了生物过程，就像原生酶一样。

抗菌表面没有形成耐药性的风险成为可能

“二氧化铈无毒，化学性质非常稳定，例如，现代汽车尾气催化转换器中就含有二氧化铈，”伊娃博士Pütz说，她的博士论文就是关于这个项目的。她确信，二氧化铈是一种可行的、具有成本效益的传统生物杀菌剂替代品。“我们发现的一个实际应用是阻止细菌生长和防止细菌感染，”她说。喹诺酮信号分子导致耐多药金黄色葡萄球菌中的小菌落变异的形成，这通常是无法诊断的。由于卤化喹诺酮信号分子抑制菌落的形成，例如，可以在含有CeO2纳米颗粒的涂料分散剂的帮助下防止铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的危险感染，”Athanasios Gazanis博士补充说，他在他的博士论文中研究了微生物方面。

“在这里，我们有一个环境兼容的组件，用于新一代的抗菌表面，模仿自然的防御系统。最重要的是，它不仅在实验室中有效，而且在日常使用中也有效，”Nils Keltsch强调说，他在自己的博士论文中进行了生物微量分析。

用杀菌剂和抗生素对抗生物膜的危险在于耐药性的形成。然而，通过在聚合物上涂覆CeO2纳米颗粒，可以以一种环保的方式有效地规避这一问题。