研究背景
生物学研究领域，自组织结构的形成是生物系统的一个显著特征，从细胞器的形成到胚胎发育都涉及到这一过程。在过去的研究中，人们已经发现了许多生物系统中自组织结构的形成是由复杂的化学信号调节的。这些信号可以协调细胞的行为和分化，从而产生有序的空间模式。然而，近年来，科学家开始意识到，除了化学信号外，纯物理相互作用也可能在生物系统中驱动自组织结构的形成。这种物理驱动的自组织结构形成机制引起了人们的广泛关注，因为它可能揭示了生命系统中新的调控机制，同时也具有潜在的应用价值。在这一背景下，香港中文大学深圳研究院吴艺林教授和第一作者Haoran Xu开始探索生物系统中纯物理驱动的自组织结构形成的机制。他们认为即使在没有复杂的化学信号的情况下，物理相互作用也可能引发生物系统中的有序空间模式的形成。然而，目前仍存在许多问题，例如这些物理驱动的自组织结构形成是否普遍存在于生物系统中，以及这种机制的具体原理是什么。为了解决这些问题，本研究团队进行了一系列实验和数值模拟。他们选择了细菌作为模型生物，将密集的细菌悬浮液沉积到琼脂表面上，观察了其形成的有序空间模式。通过实验和模拟，他们揭示了密集细菌悬浮液中自组织涡旋晶格形成的物理机制，并验证了该机制的普遍性和可行性。相关成果以题为“Self-enhanced mobility enables vortex pattern formation in living matter” 在Nature 上。
研究内容
图1中研究者展示了密集细菌悬浮液中形成的大尺度涡旋晶格的相差图像。通过观察，他们发现这些涡旋具有均匀大小，顺时针旋转，并呈现出明显的六角形次序。具体而言，图1a显示了涡旋晶格的相差图像，图1b显示了集体速度场的空间分布，图1c显示了涡度的空间分布，图1d和图1e分别显示了涡旋晶格的对相关函数和三重分布函数。此外，图1f展示了集体速度场的二维空间相关。这些结果表明，自增强的细胞运动性使得在生物活性流体中形成规则的空间结构成为可能。 为了进一步研究密集细菌活性流体中的有序涡旋晶格，研究人员进行了图2的实验和分析。图2a展示了单个涡旋的时间平均集体速度场，通过标记荧光细胞的运动轨迹，图2b展示了涡旋附近单个细胞的运动情况。从图2c中可以看出，在涡旋内，单个细胞的速度明显高于外部，平均速度约为24.9±13.4μm/s，而外部约为14.8±10.6μm/s。此外，图2c还显示了在涡旋内部，细胞的运动表现出高局部极性顺序，而在外部则表现为无序运动。图2d进一步展示了涡旋附近的局部极性顺序的空间分布情况。这些实验结果表明，在涡旋晶格中，细胞的运动速度和极性顺序均受到涡旋结构的影响，呈现出明显的有序性。这些发现为理解涡旋晶格的形成机制和活性流体中的模式形成提供了重要线索。 为了进一步了解有序涡旋晶格的形成过程和动态，研究者进行了图3的实验。在图3a中，他们展示了一个时间序列的瞬时涡旋度场，揭示了在密集细菌悬浮液中有序涡旋晶格出现的过程。在起始阶段，细菌悬浮液表现出无序集体运动，类似于细菌湍流，但随着时间的推移，瞬态涡旋的寿命逐渐增加，形状变得更加规则，最终形成了稳定的六角晶格图案。图3b显示了瞬态涡旋的自相关时间，表征了涡旋的寿命随时间的演变。随着涡旋的形成和发展，细菌的集体速度分布从单峰变为双峰，其中涡旋内的细菌具有更高的集体速度（图3c）。值得注意的是，有序涡旋晶格的形成需要达到一定的细胞密度阈值，低于该阈值时仅显示出活性湍流（图3d，e）。通过研究不同光照条件下S. marcescens和大肠杆菌的运动性，研究者还发现了细胞运动性对涡旋晶格形成的重要性。当细胞运动性降低时，涡旋晶格的形成受到影响，表明细胞运动性是形成有序涡旋晶格的关键因素（图3f）。这些研究结果有助于我们更深入地理解活性流体中涡旋结构的产生机制，为设计和控制类似系统提供了重要的参考。 为了解密密集细菌悬浮液中涡旋晶格形成的起源以及自增强迁移的作用机制，研究者进行了图4的实验和模拟。首先，他们通过单细胞速度测量发现，涡旋中的个体细胞移动速度更快，这是由于涡旋环境中的较高极性顺序导致了局部集体主动应力的增强。实验结果显示，单细胞速度与局部极性顺序之间存在线性关系，系数β随细胞密度增加而增加，支持了自增强迁移的概念。接着，研究者开发了基于粒子的模型和连续模型来模拟涡旋晶格的形成。粒子模型显示，自增强迁移在涡旋晶格的出现中起关键作用，而连续模型的数值模拟产生了具有六角序的稳定涡旋晶格。这些模拟结果与实验观察一致，强调了自增强迁移在涡旋晶格形成过程中的重要性。 图4. 密集细菌悬浮液中的自增强迁移性导致有序涡旋晶格的形成。
总结展望
本文揭示了密集细菌悬浮液中自增强迁移的机制，并阐明了其在涡旋晶格形成中的关键作用。这一发现不仅揭示了生物体系中复杂集体行为的基本原理，还为理解和控制活性物质系统的行为提供了新的思路。通过深入研究细胞之间的相互作用和自组织过程，我们可以更好地理解生命系统中的结构形成和动态调控机制。此外，对自增强迁移的理解也为设计新型生物材料和生物机器提供了新的思路和方法。这项研究对于解决现实世界中的许多挑战具有重要意义，包括医学上的组织工程和药物输送，生物技术领域的微生物工程以及环境保护领域的污水处理和污染控制。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
