Quá trình chuyển từ dạng sống phù du sang kiểu tăng trưởng bám dính trên bề mặt thực hiện theo một con đường phức tạp và cần một cơ chế điều hòa kiểm soát sự hoạt động của các gen biểu hiện sự hình thành màng sinh vật. Bằng kỹ thuật di truyền và sinh học phân tử kết hợp với phương pháp kính hiển vi tiên tiến đã góp phần làm sáng tỏ cơ chế điều hòa và các yếu tố cơ bản của quá trình hình thành màng sinh vật.
1.4.3.1 Con đường dẫn truyền tín hiệu hai thành phần
Sự bám dính của tế bào với bề mặt phụ thuộc vào cả yếu tố cơ hội (tức là khả năng có hay không sự tiếp xúc trực tiếp của vi khuẩn với bề mặt) và cả sự tương tác thuận lợi giữa tế bào và bề mặt tiếp xúc để có thể vượt qua lực đẩy giữa hai bề mặt [35].
Mặc dù sự tiếp xúc ban đầu giữa tế bào vi sinh vật và bề mặt không nhất thiết đòi hỏi sự điều hòa, nhưng các bằng chứng trong nghiên cứu đã cho thấy rằng sự hình thành những tương tác ổn định giữa tế bào và bề mặt được điều hòa bởi hệ thống tín hiệu hai thành phần. Hệ thống này bao gồm hai protein: một protein cảm biến kinase đóng vai trò nhận biết tín hiệu từ môi trường, tự động phosphoryl hóa, sau đó kích hoạt thành phần protein còn lại, đó là một phân tử điều hòa phản ứng. Phân tử điều hòa phản ứng này hoạt động như là một nhân tố hoạt hóa gen, kích
thích sự phiên mã cho phép vi khuẩn nhanh chóng thích nghi với các điều kiện của môi trường [52].
1.4.3.2 Các yếu tố điều hòa sự trao đổi Cacbon
Trong hệ gen của một số vi khuẩn có chứa gen mã hóa cho một nhân tố điều hòa trao đổi nguồn cacbon cần thiết cho sự hình thành màng sinh vật. Ở
P.aeruginosa là gen crc còn ở E.coli là csrA. Nghiên cứu của O’Toole và cộng sự [61] chứng minh rằng gen crc được kích hoạt bởi các sản phẩm trung gian của chu trình TCA, là nguồn cacbon ưa thích của P. aeruginosa. Bên cạnh đó, nhân tố Crc còn hoạt hóa sự phiên mã của gen pilA, mã hóa cho các tiểu đơn vị cấu trúc cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp tiêm mao type IV. Đây là một bước giúp các tế bào nối kết với nhau để hình thành các vi khuẩn lạc, từ đó tạo thành màng sinh vật.
Nghiên cứu của Jackson và cộng sự [42] về sự ảnh hưởng của nhân tố CsrA lên sự hình thành màng sinh vật cho thấy: Khác với chủng P. aeruginosa, sự gián đoạn trong biểu hiện của gen csrA làm tăng khả năng hình thành màng sinh vật hơn so với chủng hoang dại. Tác dụng chính của nhân tố CsrA được biết đến chỉ như là một chất điều hòa sự chuyển hóa glycogen - nguồn cacbon chính trong giai đoạn tổng hợp các yếu tố cần thiết như tiêm mao và các chất bám dính trong quá trình hình thành màng sinh vật. Cho nên một sự tăng cường quá mức CsrA có thể dẫn đến ức chế sự hình thành màng sinh vật.
1.4.3.3 Sự điều hòa phụ thuộc các giai đoạn
Trong nhiều nghiên cứu, người ta đã chứng minh được rằng nhân tố RpoS đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành và phát triển của màng sinh vật. Tuy nhiên yếu tố này lại xuất hiện không giống nhau trong các giai đoạn phát triển của từng loài vi sinh vật. Nếu như ở E. coli, người ta thấy được sự xuất hiện của RpoS với nồng độ thấp ở pha tăng trưởng lũy thừa và có sự tích tụ lại thì ở P. aeruginosa, sự hiện diện của RpoS được ghi nhận ở đầu pha cân bằng [33].
Sự sản xuất RpoS được điều hòa ở nhiều mức độ khác nhau giúp tế bào đáp ứng với các điều kiện stress của môi trường, bao gồm cả sự giới hạn về mặt dinh
dưỡng. RpoS điều chỉnh độ dày của cấu trúc màng sinh vật cho phép tế bào thu nhận tối đa nguồn chất dinh dưỡng [75].
Khi màng sinh vật đạt kích thước đủ lớn, các tế bào trung tâm giảm hấp thụ các chất dinh dưỡng, dẫn đến kích hoạt RpoS, là tín hiệu giúp tế bào nhận biết sự giới hạn của nguồn chất dinh dưỡng trong màng sinh vật. Do đó, các tế bào liên kết trong màng sinh vật được giải phóng ở dạng tế bào trôi nổi tự do di chuyển đến môi trường mới thuận lợi hơn [76].
1.4.3.4 Cơ chế cảm biến tới hạn (Quorum sensing)
Thông tin liên lạc nội bào giữa các vi sinh vật được thực hiện chủ yếu thông qua các sản phẩm của vi sinh vật khuếch tán từ tế bào này sang tế bào khác. Một sản phẩm tiêu biểu cho các phân tử cảm biến tín hiệu được biết đến là acyl - HSL [45].
Nghiên cứu trên chủng P. aeruginosa cho thấy các phân tử acyl - HSL chịu trách nhiệm xác định sự tách biệt các khối tế bào vi sinh vật trong cấu trúc không gian ba chiều của màng sinh vật, góp phần giữ cho cấu trúc màng sinh vật ổn định. Các chủng P. aeruginosa đột biến không sản xuất được acyl - HSL dẫn đến các tế bào trong màng sinh vật được đóng gói chặt chẽ với nhau và dễ dàng bị phá vỡ bởi SDS. Acyl - HSL cũng là các phân tử trung gian trong bề mặt bám dính ở chủng
Pseudomonas fluorescens [83].
Mặc dù còn khá ít những hiểu biết về vai trò của các tín hiệu nội bào trong màng sinh vật đa loài, song các nhà nghiên cứu tin rằng có một sự khác biệt đáng kể giữa chúng với các màng sinh vật đơn loài [45]. Những nghiên cứu về các tín hiệu nội bào ảnh hưởng đến sự hình thành màng sinh vật vẫn đang là một trong những vấn đề vô cùng thú vị cần được nghiên cứu.