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困擾科學家數十年!程翔/徐辛亮聯手《Nature》:揭秘細菌為什么在高分子溶液中游得更直、更快!,中國化工網,okmart.com
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困擾科學家數十年!程翔/徐辛亮聯手《Nature》:揭秘細菌為什么在高分子溶液中游得更直、更快!
2022年04月02日    閱讀量:     新聞來源:高分子科學前沿  |  投稿

62 年前,科學家首次發現細菌在聚合物溶液中游泳速度更快,細菌可以在一秒鐘內游出其身體長度數十倍的距離,這相當于一個人在不到5秒的時間內游完100米。然而,令人驚訝的是,當細菌處于充滿了膠體或大分子的復雜流體時,細菌有可能會游得更快。這里,復雜流體包含聚合物或膠體顆粒,它們賦予液體以介于固體和普通液體之間的特殊機械性能中國化工網okmart.com。然而,盡管在簡單牛頓流體中,鞭毛細菌運動的低雷諾數流體動力學已經得到了很好的探究,但我們對復雜流體中細菌運動的理解還不夠成熟。


明尼蘇達大學程翔教授、北京計算科學研究中心徐辛亮特聘研究員合作,解決這個幾十年間困擾眾多科學家的問題,他們發現在復雜流體中,細菌鞭毛的擺動被抑制,從而允許細胞沿著更直的軌跡移動,從而導致沿著螺旋軸的更高速度(增強約80%)。同時研究者結合了復雜流體的膠體性質的物理模型,定量地解釋了膠體和聚合物流體中的細菌擺動動力學和流動性的增強。相關工作以“The colloidal nature of complex fluids enhances bacterial motility”發表在《Nature》。

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研究者把熒光標記的野生型大腸桿菌作為研究對象,它在牛頓流體中顯示出執行經典的“run-and-tumble”擺動運動。將細菌樣品與受控粒子半徑R的膠體懸浮液混合,以獲得所需體積分數的膠體。使用共聚焦顯微鏡對細菌進行成像并記錄運動速度。為了校準實驗方案,研究者同時測量了Ficoll 400聚合物溶液中細菌的游泳速度。

結果顯示了細菌游泳速度并非隨著體積分數的單調增加,而是在稀釋的懸浮液中表現出運動性增強,其中體積分數為0.04時,運動增強達到最大。聚合物溶液中的細菌游動也觀察到了類似的非單調趨勢。

研究者發現運動增強的程度取決于膠體的大小,并隨R單調增加。對于500 nm大的膠體,觀察到運動性增強高達80%。在聚合物溶液體系中,同樣可以用聚合物分子的大小來解釋現象。這體現了膠體的良好尺寸控制使研究者能夠探索廣泛的粒徑,這是之前研究聚合物系統難以實現的。

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圖1 膠體懸浮液中的細菌游動。

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圖2細菌運動增強與膠體顆粒大小的關聯。

事實上,所有報道的稀釋膠體懸浮液中細菌游動的特征與稀釋聚合物溶液中的特征高度相似。細菌翻滾率隨著膠體體積分數或聚合物濃度的增加而降低,從而導致兩種流體中高濃度的更平滑和更少曲折的軌跡。研究者進一步發現了一個奇特的現象:細菌游動速度與細菌的擺動角度幾乎呈線性反相關,即快速的細菌擺動較少。

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圖3 細菌游動速度與鞭毛擺動角的反相關。

因此,研究者開發了一個基于單個細菌和膠體之間的流體動力學相互作用的簡單模型,它定量地解釋了鞭毛細菌在膠體和聚合物流體中的運動性增強。簡單來說,因為細胞體的傾斜方向與鞭毛不完全對齊,細菌的軌跡遵循彈簧的螺旋形狀。拉動彈簧會增加其長度并減小其半徑,這意味著在相同的時間內,細菌沿著拉伸的彈簧比沿著松弛的彈簧移動得更遠。從而減少鞭毛和細胞體之間的錯位。作者進一步說明,由于稱為邊界誘導扭矩的流體動力學現象,細菌運動軌跡更直,流體中的粒子在靠近固體邊界移動時會經歷這種現象。它是由于粒子的離壁越來越近和越來越遠的部分之間的阻力差異造成的。在細菌在復雜流體中移動的情況下,懸浮液中的每個顆?!獰o論是聚合物還是膠體——都像固體表面一樣,在移動的細菌上產生扭矩。這種扭矩會彎曲鞭毛,減少鞭毛束和細胞體之間的錯位進而導致了細菌更直、更快的游泳。

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圖4 膠體附近細菌的運動性增強。

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圖5 細菌在充滿顆粒的液體中游動得更快(示意圖)。

總結:研究者結合實驗和理論的研究解決了細菌運動中兩個長期存在的問題,即復雜流體中細菌運動增強的起源和簡單牛頓流體中細菌擺動的機制。研究表明,單個細菌與復雜流體的膠體成分之間的流體動力學相互作用減少了細菌的擺動,這反過來又增強了細菌的運動性,這就是細菌在一定濃度的復雜流體中運動得更快的根本原因。


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