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来源：互联网2022-11-14 1:02

本文报道了一种在细菌群落中发现的自组织行为：利用复杂流体的界面张力和剪切应变，细菌群落构建了一个厘米级的“运河”网络，用于长距离的物质运输。

2022年11月2日，香港中文大学吴依琳和中国南方科技大学杨亮的联合团队在eLife Journal上发表了一篇题为《自组织运河实现细菌群落中长距离定向物质运输(DOI:https://doi.org/10.7554/eLife.79780)》的研究论文。本文报道了一种在细菌群落中发现的自组织行为：利用界面的剪切应变和复杂流体，细菌群落构建了一个厘米级的运河网络，用于长距离的物质运输。该研究表明，化学界面的机械耦合机制可以协调原始多细胞生物系统中的定向物质运输，为合成生物学研究提供了一种新的自组织原理。

背景介绍和研究综述

作者以铜绿假单胞菌为模型系统发现了这一独特现象。铜绿假单胞菌常见于日常生活和医院环境中，可导致呼吸道、泌尿系统等感染性疾病，对多种抗菌药物耐药。它是生物膜的重要研究对象之一。作者发现，当一些铜绿假单胞菌在固体表面形成菌落时，菌落内自发产生宽几十到几百微米、长几厘米的液体通道(图1)。在这些液体通道中，单个细胞和细菌分泌的外囊泡等物质以高达每秒450微米的速度从菌落中心向外运输。这种大规模的液体通道类似于人工运河，所以作者称之为菌落运河。这些由细菌自组织构建的管道不仅能输送物质，还能帮助铜绿假单胞菌更有效地清除竞争对手如金黄色葡萄球菌菌落(图2)。

图一。生长在琼脂平板上的铜绿假单胞菌菌落自组织构建成管道网络。菌落中深色的沟壑条带就是运河，运河中的流体以每秒几百微米的速度定向运动。菌落直径为9厘米。

图二。铜绿假单胞菌利用管道更有效地清除金黄色葡萄球菌菌落。位于管道内的金黄色葡萄球菌菌落(实线圆圈内绿色荧光蛋白标记)在1小时内被完全清除，而位于管道外的金黄色葡萄球菌菌落(虚线圆圈内)在遭遇铜绿假单胞菌1小时后仍保留约一半的生物量。刻度为1毫米。

结合多尺度显微成像、粒子追踪和物理模拟，阐述了菌落通道的形成机理。管道的形成需要细菌分泌的表面活性剂(鼠李糖脂)。菌落合成的表面活性剂在空间形成浓度梯度；因为表面活性剂可以降低界面张力，所以菌落由内向外受到径向表面张力梯度的影响。菌落作为由细胞和表面活性剂溶液组成的复杂流体，在表面张力梯度的作用下产生局部高速区(即复杂流体的剪切带现象)。这些高速剪切带稳定后，进一步发展成群体中的运河网。进一步，作者实验测量了运河的流速分布，构建了包括界面力学、物质输运和细胞通讯(群体感应；群体感应)和其他元素，从而解释了殖民地运河的时空动态。

l作者信息

香港中文大学物理系博士生叶莉和刘诗琪是本文的合著者。叶仙目前在中国科学院先进技术研究所担任助理研究员。CUHK物理系的吴依琳和中国医学院南方科技大学的杨亮是这篇论文的合著者。

l通讯作者简介：

合著者杨亮教授/博士生导师

单位：中国南方科技大学医学院。

作者简介：中国医学院南科大教授，博士生导师，2004年毕业于南开大学，2009年获得数据传输单元博士学位，后在数据传输单元和汉堡大学做博士后。2012年加入新加坡南洋理工大学生命科学学院，担任助理教授。2018年成为生命科学学院终身教授(副教授)、院长助理。他还在新加坡国家卓越研究中心——新加坡环境生物工程中心(SCELSE)任职。杨亮于2018年底加入中国医学院南科大，担任专任教授。广东省杰出青年获得者，深圳市海外引进高层次人才，教育部杰出青年专家，南洋理工大学客座教授。在国际学术期刊中，包括《柳叶刀》、《自然通讯》、《自然协议》、《美国国家科学院院刊》、《科学信号》、《微生物趋势》、《纳米快报》,

Current Opinion in Biotechnology，Briefings in Bioinformatics等发表论文180多篇，论文被引用超过11000次，H-Index 52（Google Scholar），入选2019、2020 爱思唯尔中国高被引学者和2019、2020全球前2%顶尖科学家榜单。

通讯作者 吴艺林教授

作者单位：香港中文大学物理系

作者简介：香港中文大学物理系教授，分别于中国科学技术大学和美国圣母大学取得物理学士(2004)和物理博士学位(2009)，在美国哈佛大学Howard Berg实验室完成博士后培训，其后加入香港中文大学物理系历任助理教授（2012-2018），副教授（2018-2022），正教授（2022起）。吴艺林实验室长期研究以微生物为主的生命物质在不同尺度的运动和自组织，例如细菌鞭毛运动流体力学，微生物集群动力学，以及细菌活性物质系统的自组织。获得了香港中文大学颁发的 青年学者研究成就奖 （2017）和 杰出研究学者奖 （2021），并入选首届香港特区政府研究资助局发起的 研资局研究学者计划 （2021-2025）。实验室主页：http://www.phy.cuhk.edu.hk/ylwu/Publications.html

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