Nature Physics：细菌生物膜中传播性波纹出现的原因

文摘 2024-11-01 08:02 瑞士

原文献信息：Liu, S.; Li, Y.; Wang, Y.; Wu, Y. Emergence of large-scale mechanical spiral waves in bacterial living matter. Nat Phys 2024, 20(6), 1015-1021.

摘要：

在多种化学、生物和物理系统中已发现了传播性螺旋波。在多细胞生物中，螺旋波通常与重要的生命功能相关。尽管某些真核微生物早已被发现能够生成螺旋波，但在细菌界中，缺乏螺旋波模式的证据。在此，我们报告了一种在密集细菌群体中发现的独特传播性螺旋波形式，其中细胞通过类似抓钩的运动器官——IV型菌毛马达——驱动的循环力生成过程进行相互作用。具体来说，我们发现细菌生命体中菌毛活动的同步化会导致大规模的时空张力调控，呈现为传播性螺旋波。理论模型揭示，这种螺旋张力波源于细胞间相互作用的非互惠性。我们的研究发现揭示了细菌界中大规模力调控的机制，并可能为生物膜和微生物群落的力学特性提供新的视角。菌毛驱动的细菌生命体还提供了一种机械活性介质，用于研究生命系统中的电或化学螺旋波。

主要内容：

在静息状态下，生命体一旦受到外界的刺激，便会被激活，激发出独特的波动——激发波。这些波动往往以螺旋的形态展现，从一个微小的起点开始，向外径向扩展，同时优雅地旋转着。在复杂的多细胞生物体中，螺旋波扮演着举足轻重的角色，它们不仅是信号传递的关键，更是图案形成的幕后推手。例如，在心脏组织中，螺旋波的不稳定可能引发心律失常，严重时甚至会导致心脏骤停。同样，在大脑网络中，螺旋波通过其独特的旋转动力学，在不同脑区之间穿梭，调控着我们的脑活动和认知功能。

尽管螺旋波在复杂多细胞系统中的重要性已经得到了广泛的认可，但在更为简单的生命形式中，比如细菌群落和生物膜，它们的存在以及潜在的功能作用仍然笼罩在神秘的面纱之下。我们不禁要问：在细菌细胞系统中，是否也会出现这种螺旋波模式？如果确实存在，它们又会对哪些关键功能或行为产生深远的影响呢？

在本文中，作者在由密集的铜绿假单胞菌细胞构成的薄生物膜中发现了螺旋波的踪迹。这些细胞拥有周期性伸缩的菌毛，它们像微小的触手一样，对邻近的细胞施加着拉力。这种拉力导致了个体细胞的周期性前后位移，进而形成了局部的密度变化。随着时间的推移，这种局部的激发性振荡逐渐同步化，最终自组织形成了一个宏观的传播性螺旋波。这个过程始于零星的小规模区域，然后逐渐汇聚成一个具有稳定核心、旋转不息的壮观景象。

研究揭示，邻近细胞菌毛活动之间的非互惠耦合是自组织过程的关键所在。所谓非互惠耦合，是指菌毛的伸展速度要快于收缩速度，这种不对称性为螺旋波的形成提供了必要的条件。然而，除了非互惠耦合之外，还有其他关键因素在发挥着作用，比如菌毛活动在空间和时间上的协调。但遗憾的是，目前我们对于这些分子机制的了解仍然有限。

尽管存在诸多未知，但科学家们对未来的研究充满了期待。他们推测，菌毛的机械感应机制可能是实现协调的关键之一。铜绿假单胞菌可以利用菌毛在接触表面时调节毒力因子，并通过菌毛的收缩过程感知表面的刚度，从而实现对环境的适应。此外，响应调控因子也可能在处理来自菌毛马达的机械信号输入中发挥着重要作用。通过调整前后运动，铜绿假单胞菌可以实现表面的均匀定殖，进一步拓展其生存空间。

生物膜在人体健康、疾病治疗、生物技术及环境可持续性等方面都扮演着重要的角色。然而，我们在工程化、控制和管理这些生物膜方面仍然面临着巨大的挑战。这在一定程度上反映了我们对生物膜宏观特性与组分细胞相互作用之间关系的理解仍然不够深入。如果传播性的螺旋波对生物膜的发展和功能具有重要影响（无论是积极的还是消极的），那么它们的形成和动力学特性可能会为我们提供新的管理和控制生物膜的目标与策略。

文中图表：

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