科学家发现细菌活性物质自组织新路径

内容来源：中国科学院

中国香港中文大学吴艺林研究组与美国加州大学圣塔芭芭拉分校、哈佛大学等机构学者首次在实验上证实材料的流变性质可以控制活性物质在空间和时间上的自组织。2月4日，相关研究在线发表于《自然》。

活性物质是由自驱动单元组成、能够局部消耗能量产生运动的物质系统，包括从细胞到动物的所有生命体，以及人工合成的自驱动物质等。活性物质系统内部自发由无序变为有序，大量分子或单元按一定规律运动的过程被称为自组织。例如，鱼、鸟、细菌等个体在一定条件下通过自组织形成群集、涡旋、螺旋等集体运动。

“你可以把运动的细菌想象成小球，每个小球都能控制自己的运动。个体运动杂乱无章，但将所有小球聚集起来，在其周围环境中加上粘弹性材料后，我们发现所有小球会突然间大致有序地朝一个方向运动。”论文通讯作者、香港中文大学副教授吴艺林告诉《中国科学报》，以往控制活性物质时空自组织需要利用基因工程产生个体间复杂的交互作用，而此项研究首次提供了一种简单原理，通过调节流体粘弹性就可以同时控制细菌活性物质的时空自组织。

“我们利用分子量比较高的大肠杆菌DNA调控细菌悬浮液的粘弹性，然后在显微镜下发现了令人惊叹的现象。”香港中文大学博士研究生刘松说。

研究人员表示，当DNA浓度被稀释后，细菌悬浮液呈无序状态，细胞集体以瞬态漩涡或射流的形式进行几十微米的小规模运动；而当DNA浓度达到一定程度时，细菌活性液体在空间上自组织成有序的定向运动，并形成毫米尺度的巨型涡旋，在空间上可达近千倍细菌尺度。进一步调整细菌活性物质的粘弹性后，巨型涡旋发生了反向旋转，呈现周期性、稳定性特征。这些运动并未借助外界指令和压力，而是自驱动完成。

“实验发现的自组织涡旋可能为制备新型、可调控的自驱动器件带来启发。”吴艺林说，如同动物的动作行为受其神经系统内部时钟信号发生器的操控，自驱动器件也需要时钟信号控制运算动作。实验发现的活性流体涡旋与传动系统耦合时，可作为无须电路元件的“时间信号发生器”发出定时信号，调控微流系统的液体运输或控制软体机器人产生动作节奏。