中国科学报2022-04-08 10:10:04
中国科学技术大学教授袁军华、张榕京课题组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——wrap模式。研究结果近日发表于美国《国家科学院院刊》。
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，传统观点认为它通过交替“前进—后退”的方式实现环境探索，中间或许间隔着短暂的停顿。然而，在此方式中细菌对环境探索的效率不高。
课题组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——wrap模式，并进一步揭示了模式发生的物理机制。
研究人员发现，在鞭毛由顺时针旋转变成逆时针旋转的过程中，由于钩形鞘（连接鞭毛马达和鞭毛丝）在两端压力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，容易发生转向。而此时钩形鞘两端又受到拉力作用，经过短暂间隙后（平均1秒）鞭毛丝从胞体解离，恢复成前进态。因此，wrap态发生在由后退态“切换”到前进态的过程中，经统计其发生概率约40%。
通过比较“后退—前进”及“后退—wrap—前进”这两种切换方式下游动方向改变的统计分布，课题组发现wrap态使得细菌游动方向的改变随机均匀地分布在整个立体空间，从而极大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。
课题组发现的游动新模式可能在极性鞭毛细菌中广泛存在，研究中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具有启发意义。
审稿人认为，文章用高质量的荧光照片和视频，结合透彻的力学分析，清晰展示了新游动模式的物理图像。
来源：中国科学报
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