来源：iNature（ID：Plant_ihuman）
人类微生物组、海洋和土壤生态系统中微生物的自然栖息地充满了胶体和大分子。这种环境表现出非牛顿流动特性，极大地影响了微生物的运动。尽管在简单的牛顿流体中游泳鞭毛细菌的低雷诺数流体动力学已经得到了很好的发展，但对复杂非牛顿流体中细菌运动的理解还不清楚。即使经过60多年的研究，关于聚合物溶液中细菌运动增强的性质和起源的基本问题仍在争论中。
2022年3月30日，明尼苏达大学程翔及北京师范大学/北京计算科学研究中心徐辛亮共同通讯在Nature 在线发表题为“The colloidal nature of complex fluids enhances bacterial motility”的研究论文，该研究表明稀释胶体悬浮液中的鞭毛细菌在数量上与稀释聚合物溶液中的那些表现出相似的运动行为，特别是普遍的颗粒大小依赖性运动增强高达 80%，同时对细菌摆动的强烈抑制。
由于胶体的硬球性质，其大小和体积分数在实验中有所不同，研究结果揭示了长期以来关于复杂流体中细菌运动性增强的争议，并表明聚合物动力学对于捕捉这一现象可能不是必不可少的。结合了复杂流体的胶体性质的物理模型定量地解释了胶体和聚合物流体中的细菌摆动动力学和流动性增强。总之，该研究结果有助于理解复杂流体中细菌的运动行为，这与广泛的微生物过程和复杂环境中的工程细菌游动有关。
最后，法国巴黎大学Raphaël Jeanneret等在Nature 发表题为“Bacteria swim faster when obstacles keep them in line”的评述文章，系统总结了该研究进展。
令人惊讶的是，细菌可以在一秒钟内游出其身体长度的数十倍。这相当于一个人在不到 5 秒的时间内游完 100 米。然而，更令人惊讶的是，当细菌周围的液体充满了增加其粘度的无数障碍物时，细菌有时会游得更快——而不是更慢。这种液体被称为复杂液体，例如，它们存在于我们的肺部和胃内壁。该研究发现细菌在复杂液体中游得更快的神秘能力实际上是一个非常简单的效应的结果：它们游得更直。
复杂流体包含聚合物或胶体颗粒，它们赋予液体以介于固体和简单液体之间的特殊机械性能。尽管这种液体看起来不可思议，但实际上它们很常见。62 年前首次观察到将聚合物混合到液体中可以增加细菌的游泳速度。这种效果最初归因于细菌鞭毛形状的变化。虽然溶液中的聚合物可以通过改变鞭毛形状来影响细菌的游动速度，但是没有证据支持该假说。
经过数十年的研究，出现了两种潜在的替代机制。第一个涉及鞭毛每秒可以旋转数百次的事实，这意味着它们在复杂流体中的粘度应该低于细胞体所感受到的粘度。第二种机制是基于鞭毛旋转应该拉伸悬浮聚合物，产生弹性反冲的事实。对于细菌来说，这些额外的力量应该会减少细胞体与整体运动方向之间的自然错位，从而加快游泳速度。事实证明，问题的关键在于这种错位。
鞭毛束和细胞体之间的不精确对齐导致细菌沿着螺旋而不是直线轨迹移动。在显微镜下观察时，这种 3D 运动看起来像是细胞体围绕直线轨迹的“摆动”。Kamdar等人表明当纳米或微米大小的物体悬浮在液体中时，这种摆动会大大减少，无论它们是聚合物还是固体颗粒。减少的摆动允许细胞沿着更直的轨迹移动，从而导致沿着螺旋轴的更高速度。
细菌在充满颗粒的液体中游动得更快（图源自Nature ）
但是，当这些细胞嵌入复杂的流体中时，为什么它们会沿着更直的轨迹游动呢？Kamdar 及其同事的实验排除了之前提出的聚合物引起的弹性应力，因为该团队还观察到流体含有胶体而不是聚合物时的现象。相反，作者表明，由于边界诱导扭矩的流体动力学现象，轨迹更直。
细菌在复杂流体中移动的情况下，悬浮液中的每个颗粒——无论是聚合物还是胶体——都像固体表面一样，在移动的细菌上产生扭矩。这个扭矩弯曲鞭毛钩，减少鞭毛束和细胞体之间的错位。结果是更直、更快的游泳。连同他们的实验，Kamdar 及其同事的数学模型提高了我们对细菌摆动的理解。
总之，该研究结果有助于理解复杂流体中细菌的运动行为，这与广泛的微生物过程和复杂环境中的工程细菌游动有关。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04509-3
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00853-6
