eLife |细菌自组织构建“运河”长距离输送物质

2022年11月2日，香港中文大学吴艺林和南方科技大学杨亮联合团队在eLife期刊发表了题为“Self-organized canals enable long-range directed material transport in bacterial communities”的研究论文（DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.79780）。本文报道了在细菌群落中发现的一种自组织行为：利用界面张力和复杂流体的剪切应变，细菌群落构建厘米尺度的“运河”网络来进行长距离物质输运。该研究表明化学—界面力学耦合机制可以在原始的多细胞生物系统中协调定向物质输运，并可为合成生物学研究提供新的自组织原理。

l 背景介绍及研究概述

作者用铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)作为模式体系发现了这一独特现象。铜绿假单胞菌常见于日常生活和医院环境，可导致呼吸道、泌尿系统等多种感染性疾病，并对多种抗菌药物产生耐药性，是微生物膜(biofilm)研究的重要对象之一。作者发现某些铜绿假单胞菌在固体表面形成菌落时，菌落内部会自发地产生几十到几百微米宽、长达几厘米的液体通道（图1）。在这些液体通道中，诸如细胞个体和细菌分泌的外囊泡等物质以高达450微米每秒的速度从菌落中心向外输运。这种大尺度液体通道类似人工构建的运河，因此作者称之为菌落“运河”。这些细菌自组织构建的运河不但可以递送物质，还帮助绿脓杆菌更有效地清除竞争者—比如金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)菌落(图2)。

图1. 生长在琼脂平板上的铜绿假单胞菌菌落自组织构建运河网络。菌落中的深色沟壑状条带即为运河，运河中的流体以数百微米每秒的速度定向运动。菌落直径为9厘米。

图2. 铜绿假单胞菌利用运河更高效地清除金黃色葡萄球菌菌落。位于运河中的金葡球菌菌落（实线圆圈内，绿色荧光蛋白标记）在1小时内被清除殆尽，而位于运河外部的金葡球菌菌落（虚线圆圈内）在遭遇绿脓杆菌1小时后仍能保留大约一半的生物量。标尺为1毫米。

作者结合多尺度显微成像，粒子追踪，以及物理建模等方法阐明了菌落运河的形成机制。菌落运河的形成需要细菌自主分泌的表面活性剂（鼠李糖脂）。菌落合成的表面活性剂在空间形成浓度梯度；由于表面活性剂会降低界面张力，因此菌落受到由内向外的径向表面张力梯度的作用。菌落作为由细胞和表面活性剂溶液构成的复杂流体，在表面张力梯度的作用下产生局部高流速的区域（即复杂流体的“剪切带”现象）。这些高流速的剪切带稳定之后就进一步发展成菌落中的运河网络。作者进一步在实验上测得运河的流速分布，并构建了包括界面力学、物质输运和细胞通讯（群体感应；Quorum sensing）等要素的数学模型，从而解释了菌落运河的时空动力学。

l 作者信息

香港中文大学物理系博士生郦野和刘士奇为本文共同第一作者。郦野目前在中科院先进技术研究院任职助理研究员。香港中文大学物理系吴艺林和南方科技大学医学院杨亮为本论文共同通讯作者。

l 通讯作者简介：

共同通讯作者 杨亮 教授/博士生导师

作者单位：南方科技大学医学院

作者简介：南方科技大学医学院教授，博士生导师，2004年本科毕业于南开大学生物科学专业，2009年在丹麦技术大学获得博士学位，随后在丹麦技术大学和德国汉堡大学从事博士后工作，2012年入职新加坡南洋理工大学生命科学学院做助理教授，在2018年获得终身教职 （副教授）和担任生命科学学院助理院长，同时兼任新加坡国家级卓越研究中心"新加坡环境生物工程中心（SCELSE）"公共卫生中心实验室副主任。杨亮于2018年底全职加入南方科技大学医学院任教授，是广东省杰出青年基金获得者，深圳市海外引进高层次人才，教育部青年特聘专家，新加坡南洋理工大学访问教授。在国际学术期刊包括Lancet, Nature Communications，Nature Protocols, Proc Natl Acad Sci U S A, Science Signaling, Trends in Microbiology, Nano Letters，Current Opinion in Biotechnology，Briefings in Bioinformatics等发表论文180多篇，论文被引用超过11000次，H-Index 52（Google Scholar），入选2019、2020 爱思唯尔中国高被引学者和2019、2020全球前2%顶尖科学家榜单。

通讯作者 吴艺林 教授

作者单位：香港中文大学物理系

作者简介：香港中文大学物理系教授，分别于中国科学技术大学和美国圣母大学取得物理学士(2004)和物理博士学位(2009)，在美国哈佛大学Howard Berg实验室完成博士后培训，其后加入香港中文大学物理系历任助理教授（2012-2018），副教授（2018-2022），正教授（2022起）。吴艺林实验室长期研究以微生物为主的生命物质在不同尺度的运动和自组织，例如细菌鞭毛运动流体力学，微生物集群动力学，以及细菌活性物质系统的自组织。获得了香港中文大学颁发的“青年学者研究成就奖”（2017）和“杰出研究学者奖”（2021），并入选首届香港特区政府研究资助局发起的“研资局研究学者计划”（2021-2025）。实验室主页：http://www.phy.cuhk.edu.hk/ylwu/Publications.html