揭秘细菌运动：自推进粒子在活性物质中的神秘分布

来自UNIST和斯坦福大学的物理学家和微生物学家组成的合作团队首次揭示了自推进粒子（如细菌）分布的基本规律。

这项研究的突破发表在物理评论快报上，由UNIST物理系的郑俊宇教授、UNIST生物科学系的罗伯特·J·米切尔教授和斯坦福大学的高田翔教授共同领导。

研究表明，活细菌的分布受其运动能力与对特定液体环境亲和力之间微妙的平衡影响。有趣的是，研究结果突显了一种与‘物以类聚’原则相符的现象。

运动细菌倾向于与其他表现出相似运动行为的细菌聚集，影响它们在复杂流体中的空间分布。虽然将细菌吸引到某些液体中的力往往会将它们限制在特定区域，但细菌的运动能力使它们能够突破这些限制，分布得更加广泛——这打破了仅仅依靠能量偏好的传统看法。

研究人员使用光学镊子精确测量了细菌施加的力，以偏好一种液相而非另一种，发现这种吸引力约为1皮牛顿（pN）——这个力大约是人类头发在重力作用下所经历的力的1000万倍弱。

值得注意的是，细菌的推进力被测量为约10 pN，足以克服这些微弱的吸引力，使细菌能够在不同相之间穿越，进一步说明了运动性是如何影响活性物质系统中细菌分布的。

实验涉及将枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）——一种常用于发酵大豆产品的细菌——注入一个两相的右旋糖酐和聚乙二醇系统，该系统自然分为富含右旋糖酐的相和富含聚乙二醇的相。

虽然静止细菌仍然局限于其偏好的相，但运动性细菌则在两个相中均匀分布，这个现象不能仅仅用热波动来解释。

相反，运动性细菌表现出一种‘物以类聚’的行为，它们的自我推进和相互吸引使得它们聚集在一起，形成相似的细菌群体，影响它们在不同相中的分布。

主要贡献者包括前UNIST博士生、现任乔治亚理工学院博士后研究员的Jiyong Cheon博士，以及斯坦福大学的博士后研究员Kyu Hwan Choi。

团队强调，这项跨学科的研究涉及物理学、化学工程和微生物学，成功量化了在非平衡条件下作用于活性粒子的各种力。

这个模型系统为我们理解细菌和其他活性粒子在能量不断供应或消耗的环境中是如何运作的提供了新的视角，进一步支持了类似行为会相互吸引并影响集体动态的观点。

郑教授解释道：“这项研究不仅帮助我们理解细菌如何在体内建立其栖息地，还可能在蛋白质纯化、生物传感器开发和微型机器人设计方面有应用。”