研究背景
生物學研究領域，自組織結構的形成是生物系統的一個顯著特征，從細胞器的形成到胚胎發(fā)育都涉及到這一過程。在過去的研究中，人們已經發(fā)現了許多生物系統中自組織結構的形成是由復雜的化學信號調節(jié)的。這些信號可以協調細胞的行為和分化，從而產生有序的空間模式。然而，近年來，科學家開始意識到，除了化學信號外，純物理相互作用也可能在生物系統中驅動自組織結構的形成。這種物理驅動的自組織結構形成機制引起了人們的廣泛關注，因為它可能揭示了生命系統中新的調控機制，同時也具有潛在的應用價值。在這一背景下，香港中文大學深圳研究院吳藝林教授和第一作者Haoran Xu開始探索生物系統中純物理驅動的自組織結構形成的機制。他們認為即使在沒有復雜的化學信號的情況下，物理相互作用也可能引發(fā)生物系統中的有序空間模式的形成。然而，目前仍存在許多問題，例如這些物理驅動的自組織結構形成是否普遍存在于生物系統中，以及這種機制的具體原理是什么。為了解決這些問題，本研究團隊進行了一系列實驗和數值模擬。他們選擇了細菌作為模型生物，將密集的細菌懸浮液沉積到瓊脂表面上，觀察了其形成的有序空間模式。通過實驗和模擬，他們揭示了密集細菌懸浮液中自組織渦旋晶格形成的物理機制，并驗證了該機制的普遍性和可行性。相關成果以題為“Self-enhanced mobility enables vortex pattern formation in living matter” 在Nature 上。
研究內容
圖1中研究者展示了密集細菌懸浮液中形成的大尺度渦旋晶格的相差圖像。通過觀察，他們發(fā)現這些渦旋具有均勻大小，順時針旋轉，并呈現出明顯的六角形次序。具體而言，圖1a顯示了渦旋晶格的相差圖像，圖1b顯示了集體速度場的空間分布，圖1c顯示了渦度的空間分布，圖1d和圖1e分別顯示了渦旋晶格的對相關函數和三重分布函數。此外，圖1f展示了集體速度場的二維空間相關。這些結果表明，自增強的細胞運動性使得在生物活性流體中形成規(guī)則的空間結構成為可能。 為了進一步研究密集細菌活性流體中的有序渦旋晶格，研究人員進行了圖2的實驗和分析。圖2a展示了單個渦旋的時間平均集體速度場，通過標記熒光細胞的運動軌跡，圖2b展示了渦旋附近單個細胞的運動情況。從圖2c中可以看出，在渦旋內，單個細胞的速度明顯高于外部，平均速度約為24.9±13.4μm/s，而外部約為14.8±10.6μm/s。此外，圖2c還顯示了在渦旋內部，細胞的運動表現出高局部極性順序，而在外部則表現為無序運動。圖2d進一步展示了渦旋附近的局部極性順序的空間分布情況。這些實驗結果表明，在渦旋晶格中，細胞的運動速度和極性順序均受到渦旋結構的影響，呈現出明顯的有序性。這些發(fā)現為理解渦旋晶格的形成機制和活性流體中的模式形成提供了重要線索。 為了進一步了解有序渦旋晶格的形成過程和動態(tài)，研究者進行了圖3的實驗。在圖3a中，他們展示了一個時間序列的瞬時渦旋度場，揭示了在密集細菌懸浮液中有序渦旋晶格出現的過程。在起始階段，細菌懸浮液表現出無序集體運動，類似于細菌湍流，但隨著時間的推移，瞬態(tài)渦旋的壽命逐漸增加，形狀變得更加規(guī)則，最終形成了穩(wěn)定的六角晶格圖案。圖3b顯示了瞬態(tài)渦旋的自相關時間，表征了渦旋的壽命隨時間的演變。隨著渦旋的形成和發(fā)展，細菌的集體速度分布從單峰變?yōu)殡p峰，其中渦旋內的細菌具有更高的集體速度（圖3c）。值得注意的是，有序渦旋晶格的形成需要達到一定的細胞密度閾值，低于該閾值時僅顯示出活性湍流（圖3d，e）。通過研究不同光照條件下S. marcescens和大腸桿菌的運動性，研究者還發(fā)現了細胞運動性對渦旋晶格形成的重要性。當細胞運動性降低時，渦旋晶格的形成受到影響，表明細胞運動性是形成有序渦旋晶格的關鍵因素（圖3f）。這些研究結果有助于我們更深入地理解活性流體中渦旋結構的產生機制，為設計和控制類似系統提供了重要的參考。 為了解密密集細菌懸浮液中渦旋晶格形成的起源以及自增強遷移的作用機制，研究者進行了圖4的實驗和模擬。首先，他們通過單細胞速度測量發(fā)現，渦旋中的個體細胞移動速度更快，這是由于渦旋環(huán)境中的較高極性順序導致了局部集體主動應力的增強。實驗結果顯示，單細胞速度與局部極性順序之間存在線性關系，系數β隨細胞密度增加而增加，支持了自增強遷移的概念。接著，研究者開發(fā)了基于粒子的模型和連續(xù)模型來模擬渦旋晶格的形成。粒子模型顯示，自增強遷移在渦旋晶格的出現中起關鍵作用，而連續(xù)模型的數值模擬產生了具有六角序的穩(wěn)定渦旋晶格。這些模擬結果與實驗觀察一致，強調了自增強遷移在渦旋晶格形成過程中的重要性。 圖4. 密集細菌懸浮液中的自增強遷移性導致有序渦旋晶格的形成。
總結展望
本文揭示了密集細菌懸浮液中自增強遷移的機制，并闡明了其在渦旋晶格形成中的關鍵作用。這一發(fā)現不僅揭示了生物體系中復雜集體行為的基本原理，還為理解和控制活性物質系統的行為提供了新的思路。通過深入研究細胞之間的相互作用和自組織過程，我們可以更好地理解生命系統中的結構形成和動態(tài)調控機制。此外，對自增強遷移的理解也為設計新型生物材料和生物機器提供了新的思路和方法。這項研究對于解決現實世界中的許多挑戰(zhàn)具有重要意義，包括醫(yī)學上的組織工程和藥物輸送，生物技術領域的微生物工程以及環(huán)境保護領域的污水處理和污染控制。Xu, H., Wu, Y. Self-enhanced mobility enables vortex pattern formation in living matter. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07114-8
