本报讯（记者王敏）中国科学技术大学教授袁军华、张榕京研究组发现，鞭毛着生位置是决定推进型细菌“表面捕获”稳定性的关键因素，并揭示了鞭毛钩（连接鞭毛丝与细胞体的柔性接头）弯曲方向的差异如何影响细菌的表面驻留行为。相关研究成果日前发表于美国《国家科学院院刊》。
细菌在自然环境中频繁遇到固体表面，如管道内壁、医疗植入物或土壤颗粒等。当它们游动靠近这些物体的表面时，往往会被“捕获”，在表面附近长时间盘旋运动。这一“表面捕获”现象对细菌的生态适应，尤其是生物膜的形成至关重要。以往研究大多以大肠杆菌为模型，认为这种现象主要由流体力学相互作用引起。然而，这些基于大肠杆菌建立的简化模型，虽然理论上适用于所有“推进式”，即由尾部鞭毛推动前进的细菌，却无法解释为何其他形态相似的极性单鞭毛菌在表面停留的时间比大肠杆菌短得多，这表明现有物理模型中存在被忽略的关键因素。
研究组首先排除了潜在因素之一 ——鞭毛数量的影响。他们发现，即使只有一根鞭毛，大肠杆菌也能被表面稳定捕获。随后，研究组将焦点转向了不同菌株的另一显著差异——鞭毛的着生位置。他们通过基因编辑技术，构建了一种鞭毛着生位置不再局限于细胞极端的铜绿假单胞菌突变株。令人惊奇的是，当鞭毛生长在细胞侧面时比鞭毛在极端时，细菌在表面停留的时间长了数十倍以上，其表面捕获行为变得与大肠杆菌非常相似。
为探究该现象背后的物理机制，研究组通过高时空分辨的荧光成像技术，直接观测了细菌在表面附近的姿态角变化，揭示了鞭毛钩弯曲力矩的关键作用。他们发现，当细菌“头朝下”撞向表面时，鞭毛钩会因受力而弯曲。对于鞭毛在极端的细菌，弯曲的鞭毛钩产生的力矩帮助细胞体调整姿态，使其更容易通过热涨落从表面逃逸。而对于鞭毛在侧面的细菌，鞭毛钩的弯曲方向与极端鞭毛相反，其产生的力矩会抑制细胞体的姿态调整，使其稳定地被困在表面，难以逃脱。研究组的理论计算也定量证实了这一机制。
该研究不仅解决了长期以来理论模型与实验观测之间的矛盾，也为深入了解微生物生态、生物膜形成的初始阶段以及细菌感染过程提供了见解。此外，该研究为设计仿生微纳机器人和微生物介导的活性药物递送系统提供了新思路。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1073/pnas.2506380122
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