科學家發(fā)現細菌活性物質自組織新路徑 相關研究在線發(fā)表于《自然》

中國香港中文大學吳藝林研究組與美國加州大學圣塔芭芭拉分校、哈佛大學等機構學者首次在實驗上證實材料的流變性質可以控制活性物質在空間和時間上的自組織。2月4日，相關研究在線發(fā)表于《自然》。

活性物質是由自驅動單元組成、能夠局部消耗能量產生運動的物質系統(tǒng)，包括從細胞到動物的所有生命體，以及人工合成的自驅動物質等。活性物質系統(tǒng)內部自發(fā)由無序變?yōu)橛行颍罅糠肿踊騿卧匆欢ㄒ?guī)律運動的過程被稱為自組織。例如，魚、鳥、細菌等個體在一定條件下通過自組織形成群集、渦旋、螺旋等集體運動。

“你可以把運動的細菌想象成小球，每個小球都能控制自己的運動。個體運動雜亂無章，但將所有小球聚集起來，在其周圍環(huán)境中加上粘彈性材料后，我們發(fā)現所有小球會突然間大致有序地朝一個方向運動。”論文通訊作者、香港中文大學副教授吳藝林告訴《中國科學報》，以往控制活性物質時空自組織需要利用基因工程產生個體間復雜的交互作用，而此項研究首次提供了一種簡單原理，通過調節(jié)流體粘彈性就可以同時控制細菌活性物質的時空自組織。

“我們利用分子量比較高的大腸桿菌DNA調控細菌懸浮液的粘彈性，然后在顯微鏡下發(fā)現了令人驚嘆的現象。”香港中文大學博士研究生劉松說。

研究人員表示，當DNA濃度被稀釋后，細菌懸浮液呈無序狀態(tài)，細胞集體以瞬態(tài)漩渦或射流的形式進行幾十微米的小規(guī)模運動;而當DNA濃度達到一定程度時，細菌活性液體在空間上自組織成有序的定向運動，并形成毫米尺度的巨型渦旋，在空間上可達近千倍細菌尺度。進一步調整細菌活性物質的粘彈性后，巨型渦旋發(fā)生了反向旋轉，呈現周期性、穩(wěn)定性特征。這些運動并未借助外界指令和壓力，而是自驅動完成。

“實驗發(fā)現的自組織渦旋可能為制備新型、可調控的自驅動器件帶來啟發(fā)。”吳藝林說，如同動物的動作行為受其神經系統(tǒng)內部時鐘信號發(fā)生器的操控，自驅動器件也需要時鐘信號控制運算動作。實驗發(fā)現的活性流體渦旋與傳動系統(tǒng)耦合時，可作為無須電路元件的“時間信號發(fā)生器”發(fā)出定時信號，調控微流系統(tǒng)的液體運輸或控制軟體機器人產生動作節(jié)奏。(王東麗 李晨陽)