在被消毒劑擦洗的威脅下，單個細菌可以通過結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養(yǎng)物質，它就會找到食物。
Mathijssen帶領一個國際研究團隊創(chuàng)建了流體運動模擬，發(fā)現(xiàn)單個細菌和生物膜可以產(chǎn)生足夠強的電流來吸收遠處的營養(yǎng)物質。
在12月11日發(fā)表在《物理評論快報》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動的可預測模式，這些見解可以應用于許多領域。
“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?！拔覀冋劦搅思毦覀兛梢杂谩⑿蜋C器人’代替‘有機體’這個詞，物理學也會完全一樣?！?
從簡單開始。
當細菌移動時，它們會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度，細菌以類似的方式向許多致病物種移動，包括那些引起胃炎和霍亂的物種。他們發(fā)現(xiàn)，當細菌向前游動時，它會在周圍的液體中產(chǎn)生微小但穩(wěn)定的電流，這些電流向中心移動，并遠離頭部和尾部。
然后，他們計算了隨機排列的細菌群體產(chǎn)生的通量，驚訝地發(fā)現(xiàn)它創(chuàng)造了一個強大而一致的趨勢，可以吸收營養(yǎng)。不管每個細菌的方向如何，只要某些區(qū)域的菌落比其他區(qū)域的菌落厚，這就會導致液體從高點向低點移動。模擬更有序的細菌導致更強的循環(huán)。
在有組織的生物膜中，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩種常見的運動模式：漩渦和子源。在渦流模式下，細菌同心圓運動并產(chǎn)生流動，將營養(yǎng)物質帶到生物膜的中心，然后將液體從兩側推出。在aster模式下，細菌向中心移動，產(chǎn)生一股從生物膜邊緣移動的氣流，直到它上升到中心上方。
“這一點的力量在于你可以添加這些模式，”Mathijssen說?！俺酥烂恳环N細菌的位置和方向，你只需要知道構成菌落的基本模式，然后就可以很容易地得到整體的運輸流量?！?
研究人員可以結合生物膜中的渦流和紫菀模式來確定細菌如何推動、拉動和旋轉周圍的液體。作為最后的測試，研究人員進行了計算，代表了細菌群集的復雜而真實的運動——就像它們可能在桌子表面一樣——并預測了這組細菌的運輸流強度。結果是形成了一個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？
這項工作始于對細菌周圍看不見的液體流動的簡單好奇。但是研究人員的發(fā)現(xiàn)可能非常有用——例如，指導切斷傳染性生物膜食物來源的方法。更重要的是，因為它只考慮細菌的形狀和運動，所以研究也可以應用于無生命的物體，如合成藥物輸送機構或微型機器人。
Mathijssen說：“起初這是一個相對基本的問題，但結果和生物醫(yī)學應用之間的相關性超出了我們的預期?！薄斑@讓我非常興奮：我們偶然發(fā)現(xiàn)了一個想法，出于好奇，我們正朝著一個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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