在被消毒劑擦洗的威脅下，單個(gè)細(xì)菌可以通過結(jié)合在一起形成被稱為生物膜的菌落來提高存活率。斯坦福大學(xué)生物工程博士后研究員阿諾德馬修森(Arnold Mathijssen)想知道，一旦固定生物膜吞噬附近的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它就會(huì)找到食物。
Mathijssen帶領(lǐng)一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了流體運(yùn)動(dòng)模擬，發(fā)現(xiàn)單個(gè)細(xì)菌和生物膜可以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電流來吸收遠(yuǎn)處的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
在12月11日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的研究中，研究人員能夠根據(jù)生物膜的一般形狀找到流體運(yùn)動(dòng)的可預(yù)測(cè)模式，這些見解可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
“微流體的物理特性是非常普遍的，”在生物工程副教授Manu Prakash工作的Mathijssen說。“我們談到了細(xì)菌，但我們可以用‘微型機(jī)器人’代替‘有機(jī)體’這個(gè)詞，物理學(xué)也會(huì)完全一樣?！?
從簡(jiǎn)單開始。
當(dāng)細(xì)菌移動(dòng)時(shí)，它們會(huì)擾亂微觀世界中的周圍液體。研究人員探索了這種干擾的強(qiáng)度，細(xì)菌以類似的方式向許多致病物種移動(dòng)，包括那些引起胃炎和霍亂的物種。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)菌向前游動(dòng)時(shí)，它會(huì)在周圍的液體中產(chǎn)生微小但穩(wěn)定的電流，這些電流向中心移動(dòng)，并遠(yuǎn)離頭部和尾部。
然后，他們計(jì)算了隨機(jī)排列的細(xì)菌群體產(chǎn)生的通量，驚訝地發(fā)現(xiàn)它創(chuàng)造了一個(gè)強(qiáng)大而一致的趨勢(shì)，可以吸收營(yíng)養(yǎng)。不管每個(gè)細(xì)菌的方向如何，只要某些區(qū)域的菌落比其他區(qū)域的菌落厚，這就會(huì)導(dǎo)致液體從高點(diǎn)向低點(diǎn)移動(dòng)。模擬更有序的細(xì)菌導(dǎo)致更強(qiáng)的循環(huán)。
在有組織的生物膜中，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩種常見的運(yùn)動(dòng)模式：漩渦和子源。在渦流模式下，細(xì)菌同心圓運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生流動(dòng)，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到生物膜的中心，然后將液體從兩側(cè)推出。在aster模式下，細(xì)菌向中心移動(dòng)，產(chǎn)生一股從生物膜邊緣移動(dòng)的氣流，直到它上升到中心上方。
“這一點(diǎn)的力量在于你可以添加這些模式，”Mathijssen說?！俺酥烂恳环N細(xì)菌的位置和方向，你只需要知道構(gòu)成菌落的基本模式，然后就可以很容易地得到整體的運(yùn)輸流量。”
研究人員可以結(jié)合生物膜中的渦流和紫菀模式來確定細(xì)菌如何推動(dòng)、拉動(dòng)和旋轉(zhuǎn)周圍的液體。作為最后的測(cè)試，研究人員進(jìn)行了計(jì)算，代表了細(xì)菌群集的復(fù)雜而真實(shí)的運(yùn)動(dòng)——就像它們可能在桌子表面一樣——并預(yù)測(cè)了這組細(xì)菌的運(yùn)輸流強(qiáng)度。結(jié)果是形成了一個(gè)越過生物膜邊界的漩渦，適合于維持群體攝食。
你在隱瞞什么？
這項(xiàng)工作始于對(duì)細(xì)菌周圍看不見的液體流動(dòng)的簡(jiǎn)單好奇。但是研究人員的發(fā)現(xiàn)可能非常有用——例如，指導(dǎo)切斷傳染性生物膜食物來源的方法。更重要的是，因?yàn)樗豢紤]細(xì)菌的形狀和運(yùn)動(dòng)，所以研究也可以應(yīng)用于無生命的物體，如合成藥物輸送機(jī)構(gòu)或微型機(jī)器人。
Mathijssen說：“起初這是一個(gè)相對(duì)基本的問題，但結(jié)果和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之間的相關(guān)性超出了我們的預(yù)期?！薄斑@讓我非常興奮：我們偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)想法，出于好奇，我們正朝著一個(gè)與最初完全不同的方向行駛，我們發(fā)現(xiàn)了巨大的潛力?！?
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