养生研究员讲解关于细菌环境中保养的最佳方式

当细菌通过土壤、组织和其他布满障碍物的环境传播时，保持直而窄的路径会导致死胡同。取而代之的是，细菌在开放空间中移动，直到它们被困住，然后重新定向以通过开口跳到下一个洞。普林斯顿大学研究人员开发的一个新模型解释了为什么这种跳跃和捕集策略适用于细菌，以及如何针对自推进聚合物进行优化。

该模型可用于创建在复杂的 3D 环境中有效传播的未来微型机器人，例如导航肿瘤组织以输送化疗药物的微型合成货物载体。

“我们想了解这种 [跳跃和陷阱] 机制的细节如何影响 [细菌] 传播的速度以及它们在该环境中的移动距离，”机械和航空航天工程博士后研究助理克里斯蒂娜·库兹塔勒 (Christina Kurzthaler) 说。

Kurzthaler 是这项新研究的第一作者，该研究于 12 月 6 日发表在《自然通讯》杂志上。

该研究的灵感来自合著者、化学和生物工程助理教授 Sujit Datta 和在 Datta 实验室工作的安德林格能源与环境中心前博士后研究助理 Tapomoy Bhattacharjee 最近的实验工作。他们首先描述了大肠杆菌用于在多孔环境中导航的跳跃和陷阱策略。

Kurzthaler 与共同第一作者、达姆施塔特理工大学的研究员 Suvendu Mandal 合作，模拟细菌如何在复杂的 3D 环境中随机移动——想象一只毛毛虫游过装满乒乓球的水族馆，但在分子规模。他们使用了由聚合物物理学家开发的布朗动力学模拟，该模拟考虑了液体中粒子的随机运动，并使用自推进聚合物来代替细菌。

研究人员通过统计分析确定了聚合物在模拟中形成的轨迹模式。一些聚合物的游动路径与大肠杆菌的跳跃和捕获非常相似。

研究人员还开发了一种跳跃和诱捕的简化模型，可用于确定细菌传播的最有效方式。他们发现了一个普遍规律：在重新定向之前，细菌在与环境中最长孔的长度接近相同长度时，它的移动最有效。改变方向太频繁或不够频繁只会减慢速度。多孔介质的细节，例如表面的凹度，似乎不太重要。

“当运行长度非常小时，细菌不会移动很远，因为它们只是随机向前和向后移动，并一直在摸索，”库兹塔勒说。“当这个长度很长时，我们发现细胞会被困在它们的环境中，因为它们永远不会重新定向。”

这些发现解释了 1980 年代后期的一个有点违反直觉的观察结果。在敞开的液体中游泳的细菌会旋转鞭状鞭毛向前游动，然后挥动鞭毛翻滚并旋转到新的方向，这类似于在多孔环境中发生的跳跃和捕获。这种奔跑和翻滚的策略导致了一条非常不稳定的道路，没有明确的方向。1989 年，微生物学家霍华德·伯格 (Howard Berg) 和他的同事报告说，细菌菌落在多孔琼脂平板上的移动速度最快，不是在它们不断游泳时，而是在它们适度翻滚时。

“这是一个难题，为什么细菌的某些旋转速率会导致某些传播……大约 30 年，”资深作者、Donald R. Dixon '69 和 Elizabeth W. Dixon 机械和航空航天工程教授 Howard Stone 说。“这种现代实验建模的使用为一个老问题提供了新的思路，并将其与多孔介质的几何形状联系起来。”

新模型还为开发能够携带药物穿过身体或发现和降解土壤中的污染物的聚合物提供了标准。“如果你想设计一个微型机器人，”Kurzthaler 说，“它重新定位以探索它们预期运行的复杂环境，这真的很重要。”

伦敦大学学院物理化学副教授乔治·沃尔佩（Giorgio Volpe）说：“作者采用了一种原始方法，使用基于聚合物物理学的模型来模拟活动细菌细胞，”他没有参与这项研究。“由于这种新颖的方法，他们能够模拟多孔介质中的细菌运动，并确定它们在如此复杂的环境中传播的最佳规则。”

从观察单个细菌转向观察群体的集体行为会很有趣，这可能会揭示它们如何在多孔材料中形成和传播生物膜。这项工作可能与理解和预防关键场所（如医院的滤水器）的生物膜形成特别相关。“这些细菌如何在多孔材料中停留并移动并最终形成生物膜，显然会对抗生素耐药性的传播产生巨大影响，”他说。