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【知识分子】隔空控制细菌运动?他们做到了!

2017年01月19日 17:34 来源于 财新网
肯特州立大学Oleg D. Lavrentovich研究组通过设计液晶的排列方式实现了对枯草芽孢杆菌空间分布、活动轨迹和运动方向的控制
►图1: 细菌的不同运动状态(图片来源:http://biologicalexceptions.blogspot.com/2014/09/bacteria-can-really-get-around.html)

  撰文 | 徐达

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  设备小型化已经成为科技发明的一种趋势,因而衍生出了各种微系统。由于燃料和电力难以在这样小的尺度精确工作,而能够自主运动的细菌便极有可能成为这些微系统的动力来源,但是如何对细菌原本的无序运动加以控制一直是一个难题。前不久,肯特州立大学Oleg D. Lavrentovich研究组通过巧妙地设计液晶的排列方式实现了对枯草芽孢杆菌空间分布、活动轨迹和运动方向的控制,这项研究被发表在《科学》杂志上。

  对于枯草芽孢杆菌这类可以游动的杆状细菌,它们通过旋转鞭毛从而在液体中克服阻力前进,同时细菌也能够通过暂时将鞭毛彼此分开而使细菌翻滚而控制运动方向。细菌交替的前进与翻滚形成了一种类似布朗运动的无规则运动(见图1)。

  尽管小范围内彼此靠近的菌体会为了减小阻力而使运动方向趋于一致,但整体上是不存在稳定的秩序性排列的。类似的特点在很多其他系统中也有出现,如鱼群、雁群等,我们把它们统称为“活力物质”,并且它们中的每一个体都能将内部储存或周围环境中的能量转变成协调的群体运动。为了从细菌(或任何其他的活力物质)的混乱动态中获得有用功,必须了解如何控制它们的空间分布,以及其运动的方向性和运动轨迹的几何性质。

  ►图2:像鱼群这些活力物质都可以产生秩序性的排列,但这种排列并不稳定。(图片来源:网络)

  Lavrentovich的研究小组将游动的细菌放置在无毒液晶LCLC(色甘酸二钠的水分散体)的环境中,通过预处理LCLC被赋予了理想的排列方式。液晶这种流体的阻力性质与方向有关,在液晶中的球体在沿指向矢方向n运动时受到的粘滞阻力最小,这可以作为细菌的一个省力的游动路径。在这项工作中,他们通过控制液晶指向矢方向为游动的细菌提供了“导航”。由于细菌能够分辨指向矢方向的细微变化,这使得控制细菌在这样的液晶中的分布成为可能。

  ►图 3:固体、液晶和液体的区别。固体中微粒具有固定的位置和取向;液晶中微粒位置可以移动,但取向是有序的,呈现各向异性,液晶中某一位置附近很小区域内分子平均取向n称为指向矢;液体中微粒位置和取向都不固定,各个方向的性质相同。(图片来源:参考文献3)

  ►图 4:液晶的平衡状态以及形变的三种基本形式:1.展曲,指向矢的取向象扇面那样展开;2.扭曲,指向矢的取向象螺旋那样扭转;3.弯曲,指向矢的取向向一个方面持续弯曲。(图片来源:参考文献3)

  那么他们又是怎样精确控制液晶的指向矢呢?原来,在外力场作用下,液晶指向矢的取向很易发生改变,同时在取消外力场时指向矢又可以恢复原状。我们将这种指向矢取向的改变称为液晶的形变。他们通过使用“光镊”和“光学扳手”实现对液晶内部排列状态的控制。我们知道,光是由光子组成的,而光子具有动量,因此光照射在物体上,会对物体产生力的作用。“光镊”可以控制液晶微粒的排布,而“光学扳手”通过一种旋转的光来实现对液晶的扭转,这种光具有的螺旋相位(光也是一种电磁波,也具有波的相位等属性),其中l称为涡旋的拓扑荷值,它表示相位围绕中心旋转一周将改变2πl,也就是说拓扑荷值越大表示光束旋转越快。通过将液晶表面包裹一层光感分子迫使液晶微粒取向与其一致,研究人员间接地完成了对液晶指向矢的精确控制。

  ►图 5:具有螺旋形相位的光束及其拓扑荷值(图片来源:维基百科)

  研究者发现,在只采取弯曲形变的液晶中,细菌沿指向矢双向游动,一半向左游动,一半向右游动,没有净流动。而在只采取展曲形变的液晶中,当处于放射状展曲构象区域的细菌数量少时,它们自由进出中心区域;但如果细菌数量较多时,它们会聚集成固定化的圆盘状的群落。这符合Lavrentovich之前的预测。而当他们将细菌置于展曲态和弯曲态混合形成的的涡旋构型时,神奇的事情发生了,细菌由双向游动变为单向,整体上按照逆时针方向环绕游动。但随着游动的细菌的数量不断增加,细菌的运动轨迹开始出现起伏。

  ►图 6: 两种采取单一形变的液晶构型(图A,C)及其中细菌分别的运动状态(图B,D)(图片来源:该论文插图)

  ►图7:采取展曲态和弯曲态混合形成的的涡旋构型(图A)及相应的细菌运动状态(B,C,D, E,其中C和E图表示细菌运动方向和速度)(图片来源:该论文插图)

  研究人员同时还研究了拓扑荷值对于细菌运动的影响,发现细菌围绕l =1的核心表现出逆时针方向的游动;他们同时比较了一个具有拓扑荷值l1 = 1/2和l2 = -1/2的液晶中细菌的运动。结果发现细菌倾向于从-1/2处向+1/2处游动而不是相反方向,所以+1/2处富含细菌而-1/2处缺乏细菌。

  ►图8:拓扑荷值为1的情况下的液晶构型(A,B)和细菌运动状态(C,D)(图片来源:该论文插图)

  ►图9:拓扑荷值分别为+1/2和-1/2的情况下的液晶构型(A,B)和细菌运动状态(C)(图片来源:该论文插图)

  对于这些实验现象,Lavrentovich等人也给出了他们的解释。他们认为细菌运动会产生潜在的液流引起细菌彼此按照指向矢方向的游动;而当更多的细菌聚集时,轨迹开始出现弯曲的起伏,表明细菌的活动克服了稳定液晶的弹力。他们对这项研究成果将来的应用前景充满信心,我们也对这种细菌定向操控技术对于动力学材料和系统在未来的应用充满期待。

责任编辑:于达维 | 版面编辑:张柘
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