科技日報記者 吳長鋒
記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校物理系袁軍華、張榕京課題組通過聯(lián)合使用細菌三維追蹤技術(shù)與鞭毛絲動態(tài)熒光觀察技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了銅綠假單胞菌的新游動模式。該研究結(jié)果于2022年3月29日發(fā)表在《美國科學院院報》上。
中國科大供圖
細菌運動是其生存和感染宿主的關(guān)鍵。細菌通過游動模式之間的交替轉(zhuǎn)換來探索環(huán)境。銅綠假單胞菌是一種典型的極性單鞭毛細菌，其單根鞭毛位于桿狀胞體一端。在可旋轉(zhuǎn)鞭毛馬達的驅(qū)動下，銅綠假單胞菌在液體中實現(xiàn)游動模式切換：鞭毛逆時針旋轉(zhuǎn)時推動胞體前進，鞭毛順時針旋轉(zhuǎn)時拖曳胞體后退。然而此方式下細菌游動方向的改變主要源自布朗轉(zhuǎn)動擴散引起的胞體方向波動，因此對環(huán)境探索的效率不高。細菌經(jīng)過億萬年的進化，會不會有更高效的方式來探索環(huán)境呢？
研究人員借助基因編輯手段改進了銅綠假單胞菌的鞭毛絲熒光標記效率，在該細菌中實現(xiàn)了游動三維追蹤及鞭毛絲動態(tài)行為的同步觀測，從而發(fā)現(xiàn)了一種全新游動模式，被稱之為“wrap”模式，并且進一步揭示了此模式發(fā)生的物理機制。鞭毛順時針轉(zhuǎn)動時，拖曳胞體后退，當鞭毛變成逆時針轉(zhuǎn)動時，鞭毛絲靠近胞體的連接部件鉤形鞘，在兩端壓力的作用下發(fā)生力學屈曲失穩(wěn)，使得鞭毛絲纏繞在胞體上，形成wrap態(tài)。在這種狀態(tài)下，胞體取向不穩(wěn)定從而容易發(fā)生轉(zhuǎn)向。研究人員通過比較“后退-前進”及“后退-wrap-前進”這兩種方式下游動方向改變的統(tǒng)計分布，發(fā)現(xiàn)wrap態(tài)使得細菌游動方向的改變隨機均勻地分布在立體空間，從而極大地提高了細菌探索環(huán)境的效率，另外通過對細菌趨化游動的隨機動力學模擬亦確證了wrap態(tài)在提升細菌趨化水平上的效力。
在自然界中存在種類豐富的極性鞭毛細菌，該研究發(fā)現(xiàn)的游動新模式可能在極性鞭毛細菌中廣泛存在。此處發(fā)現(xiàn)的由鉤形鞘力學屈曲失穩(wěn)來實現(xiàn)游動方向改變的物理機制，對設(shè)計人工微納機器也有啟發(fā)。
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