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《自然》突破!中外科学家发现细菌活性物质自组织新路径 精选

已有 3329 次阅读 2021-2-4 10:12 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

鱼群整体游动、椋鸟群有序飞行、细胞群落迁移运动......自组织现象比比皆是,探究其中原理和调控机制对智能材料开发应用具有重要价值。



北京时间2021年2月4日凌晨,香港中文大学吴艺林研究组与美国加州大学圣塔芭芭拉分校、哈佛大学物理学者合作的相关研究在线发表于《自然》杂志,首次在实验上证实材料的流变性质可以用来控制活性物质在空间和时间上的自组织。



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活性物质是由自驱动单元组成,能够局部消耗能量产生运动的物质系统,包括从细胞到动物的所有生命体,以及人工合成的自驱动物质等。关于自驱动活性物质的研究是当前非平衡态物理学的最重要内容之一。


活性物质系统内部自发由无序变为有序,大量分子或单元按一定规律运动的过程被称为自组织。例如,鱼、鸟、细菌等个体在一定条件下通过自组织形成群集、涡旋、螺旋等集体运动。


“你可以把运动的细菌想象成小球,每个小球都能控制自己的运动。个体运动杂乱无章,但将所有小球聚集起来,在其周围环境中加上粘弹性材料后,我们发现所有小球会突然间大致有序地朝着一个方向运动。”论文通讯作者、香港中文大学副教授吴艺林告诉《中国科学报》,以往控制活性物质时空自组织需要利用基因工程产生个体间复杂的交互作用才能实现,而此项研究首次提供了一种简单原理,通过调节流体粘弹性就可以同时控制细菌活性物质的时空自组织。


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(a) 细菌活性流体形成毫米尺度巨型涡旋(相差显微照片)。(b) 巨型涡旋瞬时速度场。图a,b的标尺为250微米。(c) 巨型涡旋周期性地反转旋转方向(即扭摆式振动)。图中平均涡流(mean vortical flow)取正值时为逆时针方向,取负值时为顺时针方向。(d) 巨型涡旋周期性振动过程中角速度ω和转角α的相空间轨迹。


“我们利用分子量比较高的大肠杆菌DNA来调控细菌悬浮液的粘弹性,然后在显微镜下发现了令人惊叹的现象。”论文第一作者、香港中文大学博士研究生刘松说,当DNA浓度被稀释后,细菌悬浮液呈无序状态,细胞集体以瞬态漩涡或射流的形式进行几十微米的小规模运动;而当DNA浓度达到一定程度时,细菌活性液体在空间上自组织成有序的定向运动,并形成毫米尺度的巨型涡旋,在空间尺度上可达近千倍细菌尺度。进一步调整细菌活性物质的粘弹性后,巨型涡旋发生了反向旋转,呈现周期性、稳定性特征。

 

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振荡巨型涡旋中手性转换过程的动力学。


“就像一个时钟有规律地扭摆,但它的运动并未借助外界指令和压力,而是自驱动完成。”刘松说道。


“实验发现的自组织涡旋可能为制备新型、可调控的自驱动器件带来启发。”吴艺林说,如同动物的动作行为受其神经系统内部时钟信号发生器的操控,自驱动器件也需要时钟信号来控制运算动作。例如,微流系统周期性、顺序性的液体传输往往需要依赖用户外在指令或外部控制器;微型软体机器人的动作节律通常依靠固态供能元件和外部信号发生器。实验发现的活性流体涡旋与传动系统耦合时,可作为无须电路元件的“时间信号发生器”发出定时信号,用来调控微流系统的液体运输或控制软体机械人产生动作节奏。


“虽然我们的研究发现尚未投入实际应用,但我充满期待。”吴艺林说。

 

相关论文信息:

DOI : 10.1038/s41586-020-03168-6




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1 黄永义

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