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有助于细菌进食和组织生物膜的流动

归档日期:04-22       文本归类:紫菀      文章编辑:爱尚语录

  在被消毒剂擦洗的威胁下,单个细菌可以通过连接在一起形成称为生物膜的菌落来提高它们的存活几率。什么Arnold Mathijssen,斯坦福大学生物工程博士后研究员,想要了解固定生物膜一旦吞噬了附近的营养素就会如何找到食物。

  Mathijssen领导一个国际研究团队创建流体运动模拟,发现个体细菌和生物膜可以产生足够强大的电流来吸取远处的营养物质。

  在12月11日发表在“物理评论快报”上的研究中,研究人员能够根据生物膜的一般形状找到流体运动方式的可预测模式,这些见解可以在许多领域找到应用。

  “微流体动力学的物理特性具有非常强的普遍性,”Mathijssen说,他在生物工程副教授Manu Prakash的实验室工作。“我们谈到了细菌,但我们可以用微型机器人取代有机体这个词,物理学将完全相同。”

  当细菌移动时,它们会扰乱微观世界中周围的液体。研究人员探索了这种干扰的强度,这种细菌以类似于许多致病物种的方式移动,包括那些引起胃炎和霍乱的病原体。他们发现,当这种细菌向前游动时,它会在周围的液体中产生微小但稳定的电流,液体向中心移动并远离头部和尾部。

  然后,他们计算了由随机排列的细菌群体产生的流量,并惊讶地发现它创造了一个强大,一致的潮流,能够吸收营养。无论每种细菌的方向如何,只要在某些区域的菌落比其他区域更厚,这会导致流体从高点移动到低点。模拟更有序的细菌导致更强的循环。

  在有组织的生物膜中,研究人员发现了两种常见的运动模式:涡旋和紫苑。在涡旋模式中,细菌以同心圆的形式移动并产生一种流动,将营养物质带到生物膜的中心,然后将流体推出两侧。在紫菀模式中,细菌向中心点移动,产生从生物膜边缘移动直到其在中心上方向上升起的流动。

  “关于这一点的有力之处在于你可以添加这些模式,”Mathijssen说。“除了必须知道每种细菌的位置和方向外,您只需要了解构成菌落的基本模式,然后就可以很容易地得出整体运输流量。”

  研究人员能够将涡旋和紫菀模式结合在一个生物膜中,以确定细菌如何推动,拉动和旋转周围的液体。作为最后的测试,研究人员进行了计算,代表了细菌蜂拥的复杂,逼真的运动 - 就像它们可能在桌子的表面上 - 并预测了该群体的运输流的强度。结果是跨越生物膜边界的大漩涡,适于保持集落饲养。

  这项工作始于对细菌周围不可见的液体流动的简单好奇。但研究人员发现的内容可能非常实用 - 例如,指导切断传染性生物膜食物来源的方法。更重要的是,因为它只考虑了细菌的形状和运动,研究也可以应用于无生命的物体,如合成药物输送机制或微型机器人。

  Mathijssen说:“这开始是一个相对基本的问题,但结果与生物医学应用的相关性超出了我们的预期。”“这让我感到非常兴奋:我们偶然发现了这样一个想法,即出于好奇心,我们开车的方向与我们开始时的方向完全不同,而且我们发现的潜力很大。”

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