最新《自然》:中国科学家破解60年难题,揭开细菌运动之谜

学术经纬 2022-04-03 13:14 原文链接:点击获取

▎药明康德内容团队编辑

想象这样的场景:当我们在漂浮着大量障碍物的泳池中游泳时,速度势必会大打折扣。但对于微观世界中的细菌来说,情况却恰好相反:流体中有大量固体障碍物、黏性增加时,其中的细菌反而可能会游得更快。

早在1960年,就有科学家注意到细菌游动的奇异之处。当时,曼彻斯特大学的细菌学家J. G. Shoesmith观察到,相比于普通流体,细菌在混有聚合物的流体中游动更快。自那时起,这个反常的现象受到不少科学家的关注。

早期的猜想认为,这个现象与细菌鞭毛的形态变化有关。鞭毛是细菌尾部的螺旋状纤维,它们通过钩状体结构与细菌相连,为细菌的运动提供推动力。当这些鞭毛以相同的方向转动时,细菌身体需要相应地转动以平衡鞭毛的运动。不过,聚合物会改变鞭毛形态终归只是猜想,长期以来并没有证据支持这一观点。

▲在复杂流体(例如人体环境)中,细菌为何游动速度更快?(图片来源:明尼苏达大学程翔研究组)

此后,陆续有学者提出其他解释。其中一个假说认为,这个现象与聚合物的链状结构有关:当细菌穿过链状分子形成的网络时,转动的鞭毛会将聚合物分子拉伸,这又反过来为细菌提供了弹力。因为这个过程,细菌身体与整体运动方向的夹角变小,因此游得更快。

不过,一项发表于《科学》的最新研究给这个解释投了反对票。由明尼苏达大学程翔教授和北京计算科学研究中心徐辛亮研究员领导的团队揭开了细菌在复杂流体环境中游动的秘密。这项研究不仅为持续半个多世纪的细菌游动之谜提供了答案,还将帮助科学家为那些由细菌导致的疾病开发新疗法,并设计基于细菌的药物递送系统。

“自从17世纪发明显微镜以来,人们就被细菌的游动方式所吸引。但直到现在,我们对这个过程的认识仍主要局限在简单液体(例如水)中,”论文第一作者,明尼苏达大学化学工程系的博士生Shashank Kamdar说,“但细菌如何在真实生命环境中游动,却仍是一个开放的问题。

在最新论文中,研究团队首先将流体中的聚合物换成了固体小颗粒。固体颗粒与聚合物的动力学性质迥异,但研究团队却发现细菌在其中的游动非但没有减速,反倒更快了。因此,造成细菌加速的不是链状分子本身的性质,而是在流体环境中需要存在固体“障碍物”。

在显微镜下,研究者观察到这些聚合物或颗粒是如何让细菌加速的。当细菌的身体与鞭毛方向不一致时,细菌会沿着螺旋的轨迹摇晃着前行,造成速度损耗。而当纳米或微米尺度的固体存在时——无论是聚合物还是颗粒物——这样的晃动都会减弱,细菌的游动轨迹更直、直线速度也更快。

▲接近固体颗粒时,细菌运动加速(图片来源:参考资料[1])

接下来的问题自然是:为什么在这样的复杂流体环境中,细菌就会沿直线运动?研究团队通过模型研究提出,当细菌经过聚合物或颗粒附近时,产生的拖拽力造成钩状体弯曲、改变鞭毛的方向。这时,鞭毛与细菌身体的方向更加一致,因此正如前文所述,细菌可以游得更快。

▲固体颗粒或聚合物的存在,使得细菌的运动轨迹更直(图片来源:参考资料[2])

了解细菌如何穿过复杂的黏性环境(包括人体环境),能帮助科学家设计新疗法,甚至是将细菌用作递送药物的载体。程翔教授表示,理解细菌如何在复杂环境中游动对于人体健康十分重要,例如某些细菌会导致胃溃疡,而胃黏膜就是复杂的黏性环境。因此,研究细菌如何在这样的环境中游动,对于理解疾病传播扩散的方式至关重要。

这项发现还有望启发微型机器人的研究:基于类似的设计,通过改变机器人主体与合成“鞭毛”的夹角,人们或许能操控机器人的运动。当然,相比于这些可能带来变革的前景,现在我们可以确定的是:这些微小的个体在面临障碍时,确实做到了愈挫愈勇呢。

参考资料:

[1] Shashank Kamdar et al, The colloidal nature of complex fluids enhances bacterial motility. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04509-3

[2] Bacteria swim faster when obstacles keep them in line. Retrieved Mar 30th, 2022 from https://www.nature.com/articles/d41586-022-00853-6

[3] New study of how bacteria swim could help prevent the spread of disease and improve medical treatments. Retrieved Mar 30th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/948099

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