该研究由Ehud Banin、Michael L. Vasil和E. Peter Greenberg共同完成，分别来自华盛顿大学医学院微生物学系和科罗拉多大学健康科学中心微生物学系。研究于2005年8月2日发表在《PNAS》（美国国家科学院院刊）上，题目为《Iron and Pseudomonas aeruginosa biofilm formation》。
该研究的主要科学领域是微生物学，特别是关于细菌生物膜（biofilm）的形成机制。生物膜是由细菌附着在表面并包裹在水合聚合物基质中的群体结构。铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是一种常见的病原菌，其生物膜在患有囊性纤维化等基础健康问题的患者中常导致持续性感染。铁是细菌生长和代谢的关键元素，但其在宿主体内的可用性受到严格限制。铜绿假单胞菌通过多种铁获取系统来应对这种限制，其中包括高亲和力的pyoverdine系统和低亲和力的pyochelin系统。研究表明，铁不仅是细菌生长的必需元素，还作为信号分子参与生物膜的形成。然而，铁在生物膜发育中的具体信号机制尚不清楚。该研究旨在探讨铁信号在铜绿假单胞菌生物膜形成中的作用，特别是通过研究铁获取和信号传导基因突变对生物膜形态的影响。
研究分为多个步骤，主要包括以下几个部分：
菌株和培养基准备
研究使用了铜绿假单胞菌PAO1作为野生型菌株，并利用转座子插入突变体库构建了多种突变体，包括pyoverdine和pyochelin合成基因的突变体。培养基使用1%的胰蛋白胨大豆肉汤（TSB），并在需要时添加人乳铁蛋白（lactoferrin）、氯化铁、柠檬酸铁或去铁胺（desferrioxamine）等铁源。
生物膜形成实验
使用流动细胞（flow cell）系统观察细菌在玻璃表面形成生物膜的过程。通过共聚焦激光扫描显微镜（CSLM）对生物膜进行成像，并使用绿色荧光蛋白（GFP）标记细菌以观察其分布和结构。实验还通过添加不同铁源来研究铁获取系统对生物膜形成的影响。
突变体筛选
研究筛选了多个与铁获取和信号传导相关的基因突变体，包括pyoverdine、pyochelin、ferric citrate和ferrioxamine系统的突变体。通过PCR确认突变位点，并观察这些突变体在有无乳铁蛋白条件下的生物膜形成情况。
fur和prrF基因功能研究
研究还探讨了铁摄取调节蛋白（Fur）及其调控的小RNA（prrF1和prrF2）在生物膜形成中的作用。通过构建fur突变体和prrF1-prrF2双突变体，观察它们在乳铁蛋白存在下的生物膜形态。
pyoverdine和pyochelin突变体的生物膜形成
研究发现，pyoverdine合成突变体在铁充足条件下形成的生物膜较薄，类似于野生型菌株在低铁条件下的生物膜。而pyochelin突变体的生物膜形成与野生型相似。当向pyoverdine突变体提供其他铁源（如柠檬酸铁或去铁胺）时，生物膜的形成恢复正常。这表明，pyoverdine系统在生物膜形成中起关键作用，但其他铁获取系统也能替代其功能。
铁获取系统的功能
研究通过构建pyoverdine和pyochelin双突变体，发现即使在高铁条件下，双突变体也无法形成正常的生物膜。然而，添加去铁胺或柠檬酸铁后，生物膜的形成得到恢复。这表明，生物膜的形成需要活性铁运输系统，而不是通过被动扩散获取铁。
fur和prrF基因的作用
fur突变体在乳铁蛋白存在下仍能形成结构化的生物膜，而野生型菌株则形成薄层生物膜。这表明fur在生物膜形成中起关键作用。然而，prrF1-prrF2双突变体的生物膜形成与野生型相似，表明这些小RNA不参与生物膜形成的铁信号传导。
该研究揭示了铁信号在铜绿假单胞菌生物膜形成中的关键作用。研究发现，生物膜的形成依赖于活性铁运输系统，并且细胞内铁水平可能是生物膜发育的信号。fur蛋白在铁信号传导中起核心作用，但其调控的小RNA不参与这一过程。研究还鉴定了多个与铁获取相关的基因簇，包括ferric citrate和ferrioxamine系统的基因簇，为进一步研究铁获取机制提供了线索。
该研究为理解铜绿假单胞菌生物膜形成的分子机制提供了重要见解，特别是在铁信号传导方面的发现。这些结果不仅具有科学价值，还为开发针对生物膜相关感染的疗法提供了潜在靶点。例如，通过干扰铁获取系统或fur蛋白的功能，可能抑制生物膜的形成，从而减轻感染。
重要发现
研究首次明确了铁信号在铜绿假单胞菌生物膜形成中的具体机制，特别是通过活性铁运输系统和fur蛋白的作用。
方法创新
研究使用了流动细胞系统和共聚焦激光扫描显微镜，结合GFP标记和铁源添加实验，为观察和分析生物膜形成提供了高分辨率的方法。
研究对象特殊性
铜绿假单胞菌是临床上重要的病原菌，其生物膜形成与多种慢性感染相关，因此该研究具有重要的应用价值。
研究还探讨了铁信号与细菌运动性（twitching motility）的关系，发现低铁条件下细菌表现出持续的运动性，而生物膜的形成受到抑制。这为进一步研究铁信号在细菌行为中的作用提供了方向。