近日从中国科学技术大学获悉，该校物理系袁军华、张榕京课题组通过联合使用细菌三维追踪技术与鞭毛丝动态荧光观察技术，发现了铜绿假单胞菌的新游动模式。该研究结果于2022年3月29日发表在《美国科学院院报》上。
中国科大供图
细菌运动是其生存和感染宿主的关键。细菌通过游动模式之间的交替转换来探索环境。铜绿假单胞菌是一种典型的极性单鞭毛细菌，其单根鞭毛位于杆状胞体一端。在可旋转鞭毛马达的驱动下，铜绿假单胞菌在液体中实现游动模式切换：鞭毛逆时针旋转时推动胞体前进，鞭毛顺时针旋转时拖曳胞体后退。然而此方式下细菌游动方向的改变主要源自布朗转动扩散引起的胞体方向波动，因此对环境探索的效率不高。细菌经过亿万年的进化，会不会有更高效的方式来探索环境呢?
研究人员借助基因编辑手段改进了铜绿假单胞菌的鞭毛丝荧光标记效率，在该细菌中实现了游动三维追踪及鞭毛丝动态行为的同步观测，从而发现了一种全新游动模式，被称之为“wrap”模式，并且进一步揭示了此模式发生的物理机制。鞭毛顺时针转动时，拖曳胞体后退，当鞭毛变成逆时针转动时，鞭毛丝靠近胞体的连接部件钩形鞘，在两端压力的作用下发生力学屈曲失稳，使得鞭毛丝缠绕在胞体上，形成wrap态。在这种状态下，胞体取向不稳定从而容易发生转向。研究人员通过比较“后退-前进”及“后退-wrap-前进”这两种方式下游动方向改变的统计分布，发现wrap态使得细菌游动方向的改变随机均匀地分布在立体空间，从而极大地提高了细菌探索环境的效率，另外通过对细菌趋化游动的随机动力学模拟亦确证了wrap态在提升细菌趋化水平上的效力。
在自然界中存在种类丰富的极性鞭毛细菌，该研究发现的游动新模式可能在极性鞭毛细菌中广泛存在。此处发现的由钩形鞘力学屈曲失稳来实现游动方向改变的物理机制，对设计人工微纳机器也有启发。
（吴长锋）
营业执照公示信息