科技日?qǐng)?bào)記者 吳長(zhǎng)鋒
記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校物理系袁軍華、張榕京課題組通過聯(lián)合使用細(xì)菌三維追蹤技術(shù)與鞭毛絲動(dòng)態(tài)熒光觀察技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了銅綠假單胞菌的新游動(dòng)模式。該研究結(jié)果于2022年3月29日發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》上。
中國(guó)科大供圖
細(xì)菌運(yùn)動(dòng)是其生存和感染宿主的關(guān)鍵。細(xì)菌通過游動(dòng)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(xì)菌，其單根鞭毛位于桿狀胞體一端。在可旋轉(zhuǎn)鞭毛馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，銅綠假單胞菌在液體中實(shí)現(xiàn)游動(dòng)模式切換：鞭毛逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)推動(dòng)胞體前進(jìn)，鞭毛順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)拖曳胞體后退。然而此方式下細(xì)菌游動(dòng)方向的改變主要源自布朗轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)散引起的胞體方向波動(dòng)，因此對(duì)環(huán)境探索的效率不高。細(xì)菌經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，會(huì)不會(huì)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(jìn)了銅綠假單胞菌的鞭毛絲熒光標(biāo)記效率，在該細(xì)菌中實(shí)現(xiàn)了游動(dòng)三維追蹤及鞭毛絲動(dòng)態(tài)行為的同步觀測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)了一種全新游動(dòng)模式，被稱之為“wrap”模式，并且進(jìn)一步揭示了此模式發(fā)生的物理機(jī)制。鞭毛順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拖曳胞體后退，當(dāng)鞭毛變成逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(xué)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(jìn)”及“后退-wrap-前進(jìn)”這兩種方式下游動(dòng)方向改變的統(tǒng)計(jì)分布，發(fā)現(xiàn)wrap態(tài)使得細(xì)菌游動(dòng)方向的改變隨機(jī)均勻地分布在立體空間，從而極大地提高了細(xì)菌探索環(huán)境的效率，另外通過對(duì)細(xì)菌趨化游動(dòng)的隨機(jī)動(dòng)力學(xué)模擬亦確證了wrap態(tài)在提升細(xì)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(xì)菌，該研究發(fā)現(xiàn)的游動(dòng)新模式可能在極性鞭毛細(xì)菌中廣泛存在。此處發(fā)現(xiàn)的由鉤形鞘力學(xué)屈曲失穩(wěn)來實(shí)現(xiàn)游動(dòng)方向改變的物理機(jī)制，對(duì)設(shè)計(jì)人工微納機(jī)器也有啟發(fā)。
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