Nat Comm亮点 | 吴艺林团队首次发现细菌通过自组织驱动长距离物质输运

来源：BioArt

微生物通常依赖分子扩散来输运物质，包括摄取营养成分和传递化学信号。扩散作用在微米尺度上是高效的，然而对长距离（毫米以上）的物质输运而言，扩散既缓慢又低效。假定微生物应激后分泌一种扩散系数大约是1000平方微米/秒的化学信号，那么该信号峰值需要4个多小时才能传播到1厘米之外（t = r2/6D）【1】。许多细菌种属能利用鞭毛进行主动运动。这些细菌运动时，鞭毛在分子马达的驱动下【2】旋转并在细菌周围产生液体流动。细菌能否利用鞭毛旋转产生的流场来辅助物质输运？

近日，香港中文大学吴艺林教授带领的合作团队在Nature Communications杂志上发表文章“Self-organization of swimmers drives long-range fluid transport in bacterial colonies”，该研究发现带鞭毛的细菌可以通过自组织来运动实现长距离输运【3】。

该团队发现，寻常培养的细菌（例如E. coli和P. mirabilis）菌落中处于运动状态的亚群体能以类似相分离的方式在边界层聚集，并且自组织成为高度有序的“运动环”环绕整个菌落（图一）。

图一. 细菌（P. mirabilis）菌落边界处的运动环自组织。(A) 一个P. mirabilis菌落的相差显微照片。标尺：0.5毫米。(B) 图A中红色框区域的放大照片，显示该边界区域存在高度有序的细菌排列。标尺：10微米。(C) 图B对应区域细菌集体运动的时间平均速度场，反映了菌落边缘往里0至~20微米处存在高度定向的细菌运动。

运动环的自组织源于细菌之间的力学相互作用。研究人员还发现运动环中细菌的集体运动产生了环绕菌落的定向流场，流速高达约30微米/秒，有助于菌落内部物质的长距离（厘米尺度）输运（图二）。

图二. 细菌（P. mirabilis）菌落中的长距离输运。菌落边缘的定向流场在5分钟内能将0.1微米的小球运输约1厘米距离。标尺：0.5毫米。

在自然界和人体中，细菌普遍以群落的形式生存，例如生物被膜（biofilm）。细菌群落中通常具有环境的非均一性和群体的多样性，不同群体的生理作用和分工是微生物生态学的重要问题。具有运动能力的亚群体通过自组织来促进群落中的长距离物质输运无疑会为群落带来竞争优势。此外，相关结果也对设计自组装的微流操纵装置带来启发。

总的来说，这一发现揭示了运动细菌的一种新颖的自组织机制，该机制对细菌群落中的群体结构和物质分布可能具有深刻影响。

据悉，该研究第一作者为香港中文大学物理系博士生徐浩然，流体力学建模部分由剑桥大学的Eric Lauga教授及学生完成，通讯作者为吴艺林教授。