帮助细菌吞噬和组织生物膜的流动

在被消毒剂擦洗的威胁下，单个细菌可以通过连接在一起形成被称为生物膜的菌落来提高存活率。斯坦福大学生物工程博士后研究员阿诺德马吉森(Arnold Mathijssen)想知道，一旦固定生物膜吞噬了附近的营养物质，它将如何寻找食物。

Mathijssen带领一个国际研究团队创建了流体运动模拟，发现单个细菌和生物膜可以产生足够的电流来吸收远处的营养物质。

在12月11日发表在《物理评论快报》上的研究中，研究人员能够根据生物膜的大致形状找到流体运动的可预测模式。这些见解可以在许多领域得到应用。

“微流体的物理特性非常普遍，”在生物工程副教授马努普拉卡什的实验室工作的Mathijssen说。“我们谈到了细菌，但我们可以用‘微型机器人’代替‘有机体’这个词，物理学将完全相同。”

从简单开始。

当细菌移动时，它们会扰乱微观世界中的周围液体。研究人员探索了这种干扰的强度，这种干扰以类似于许多致病物种的方式移动，包括那些导致胃炎和霍乱的物种。他们发现，当这种细菌向前游动时，它会在周围的液体中产生一种微小但稳定的电流，这种电流向中心移动，远离头部和尾部。

然后，他们计算了随机排列的细菌群产生的流量，并惊讶地发现，它创造了一个强大、一致的潮流，可以吸收营养。不管每个细菌的方向如何，只要某些区域的菌落比其他区域厚，这就会导致流体从高点向低点移动。模拟更有序的细菌导致更强的循环。

在有组织的生物膜中，研究人员发现了两种常见的运动模式：漩涡和紫苑。在涡流模式下，细菌以同心圆的方式运动，并产生流动，将营养物质带到生物膜的中心，然后将液体从两侧推出。在Aster模式下，细菌移动到中心点，导致水流从生物膜的边缘移动，直到它上升到中心以上。

“这项技术的力量在于你可以添加这些模式，”Mathijssen说。“除了必须知道每个细菌的位置和方向，你只需要知道组成菌落的基本模式，然后你就可以很容易地得到整体的运输流量。”

研究人员能够结合生物膜中的漩涡和紫苑图案来确定细菌如何推动、拉动和旋转周围的液体。作为最后的测试，研究人员进行了计算，这些计算代表了细菌群集的复杂、现实的运动——就好像它们可能在桌子的表面上一样——并预测了该群体的运输流的强度。结果是一个跨越生物膜边界的大漩涡，它适合于保持群体摄食。

隐藏的是什么？

这项工作始于对细菌周围不可见液体流动的简单好奇。但研究人员的发现可能非常实用——比如指导切断传染性生物膜食物来源的方法。更重要的是，由于它只考虑了细菌的形状和运动，因此该研究还可以应用于无生命的物体，如合成药物输送机制或微型机器人。

Mathijssen说，“起初这是一个相对基础的问题，但结果和生物医学应用之间的相关性超出了我们的预期。”“这让我非常兴奋：出于好奇，我们偶然发现了这个想法，我们朝着与我们开始时完全不同的方向行驶，我们发现了巨大的潜力。”

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