【科研进展】张何朋课题组及其合作者在细菌菌落中观察到鲁棒边界流

科研进展

近日，上海交通大学物理与天文学院和自然科学研究院张何朋课题组及其合作者，在细菌菌落中首次观察到鲁棒的手性边界流，并通过数值模型成功揭示了其形成机制。该研究成果以“Robust Edge Flows in Swarming Bacterial Colonies”为题，于2024年10月7日在Physical Review X上发表。

论文链接（点击“阅读原文”查看）：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041006

众所周知，许多生物分子，如蛋白质和DNA，都具有“手性”这一重要特性，即它们可以以两种互为镜像的形式存在。然而，自然界通常只选择其中一种形式。手性如何在不同尺度上传递，并进而影响更大尺度的生物系统，仍是一个未解之谜。为探索这一问题，张何朋课题组及其合作者通过系统的实验与模型研究，对Paenibacillus vortex菌落中的细菌运动手性进行了深入探讨，重点分析了手性在菌落不同区域的表现。

研究发现，尽管菌落中心区域呈现混乱的无序运动，缺乏明显的手性特征，但在菌落的外缘始终存在顺时针方向的稳定边界流。与此同时，在菌落内部不同细菌群体形成的“孤岛”区域周围，则出现了类似但方向相反的逆时针边界流。进一步的微观分析表明，这种宏观的边界流动源自于个体细菌微弱的运动不对称性，而这种不对称性通过细菌之间的相互作用被放大，最终驱动了边界流的形成。

(a)细菌菌落全貌；（b）细菌菌落的局部图像；（c）菌落中被动粒子的输运轨迹；（d）菌落中的运动流线，边缘处红色的连续流线为边界流。

为深入理解这一现象，研究团队构建了一个模拟细菌在黏性液体中运动的计算机模型。该模型与实验结果高度一致，揭示了即便是个体细菌运动中的微小手性差异，也可以通过集体效应在菌落的内、外边界形成强烈的手性流动。这些长程的边界流动非常稳定，即便在菌落复杂的边缘结构下也能保持鲁棒性，可能为细菌在群体中提供了一种可靠的物质或信息传输途径。该研究对弱手性流体中鲁棒运动模式的探索，或将为生物系统的控制提供全新策略，激发生物工程和医学应用领域的突破。

上海交通大学博士后李赫为论文第一作者，上海交通大学张何朋教授、苏州大学施夏清教授、法国原子能和替代能源委员会Hugues Chate教授为共同通讯作者，上海交通大学Masaki Sano教授在实验设计方面提供了指导。研究工作得到了科技部和国家自然科学基金的支持。

图文编辑：叶丹

责任编辑：叶丹、朱敏

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