在被消毒剂擦洗的威胁下，单个细菌可以通过结合在一起形成被称为生物膜的菌落来提高存活率。斯坦福大学生物工程博士后研究员阿诺德马修森(Arnold Mathijssen)想知道，一旦固定生物膜吞噬附近的营养物质，它就会找到食物。
Mathijssen带领一个国际研究团队创建了流体运动模拟，发现单个细菌和生物膜可以产生足够强的电流来吸收远处的营养物质。
在12月11日发表在《物理评论快报》上的研究中，研究人员能够根据生物膜的一般形状找到流体运动的可预测模式，这些见解可以应用于许多领域。
“微流体的物理特性是非常普遍的，”在生物工程副教授Manu Prakash工作的Mathijssen说。“我们谈到了细菌，但我们可以用‘微型机器人’代替‘有机体’这个词，物理学也会完全一样。”
从简单开始。
当细菌移动时，它们会扰乱微观世界中的周围液体。研究人员探索了这种干扰的强度，细菌以类似的方式向许多致病物种移动，包括那些引起胃炎和霍乱的物种。他们发现，当细菌向前游动时，它会在周围的液体中产生微小但稳定的电流，这些电流向中心移动，并远离头部和尾部。
然后，他们计算了随机排列的细菌群体产生的通量，惊讶地发现它创造了一个强大而一致的趋势，可以吸收营养。不管每个细菌的方向如何，只要某些区域的菌落比其他区域的菌落厚，这就会导致液体从高点向低点移动。模拟更有序的细菌导致更强的循环。
在有组织的生物膜中，研究人员发现了两种常见的运动模式：漩涡和子源。在涡流模式下，细菌同心圆运动并产生流动，将营养物质带到生物膜的中心，然后将液体从两侧推出。在aster模式下，细菌向中心移动，产生一股从生物膜边缘移动的气流，直到它上升到中心上方。
“这一点的力量在于你可以添加这些模式，”Mathijssen说。“除了知道每一种细菌的位置和方向，你只需要知道构成菌落的基本模式，然后就可以很容易地得到整体的运输流量。”
研究人员可以结合生物膜中的涡流和紫菀模式来确定细菌如何推动、拉动和旋转周围的液体。作为最后的测试，研究人员进行了计算，代表了细菌群集的复杂而真实的运动——就像它们可能在桌子表面一样——并预测了这组细菌的运输流强度。结果是形成了一个越过生物膜边界的漩涡，适合于维持群体摄食。
你在隐瞒什么？
这项工作始于对细菌周围看不见的液体流动的简单好奇。但是研究人员的发现可能非常有用——例如，指导切断传染性生物膜食物来源的方法。更重要的是，因为它只考虑细菌的形状和运动，所以研究也可以应用于无生命的物体，如合成药物输送机构或微型机器人。
Mathijssen说：“起初这是一个相对基本的问题，但结果和生物医学应用之间的相关性超出了我们的预期。”“这让我非常兴奋：我们偶然发现了一个想法，出于好奇，我们正朝着一个与最初完全不同的方向行驶，我们发现了巨大的潜力。”
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