生命的几何形状物理学家确定控制生物膜生长的因素

从粘在牙齿上的牙菌斑到池塘里的浮渣，生物膜几乎无处不在。这些细菌菌落生长在植入的医疗设备、我们的皮肤、隐形眼镜以及我们的肠道和肺部。它们可以在下水道和排水系统中、植物表面甚至海洋中找到。

佐治亚理工学院博士生 Aawaz Pokhrel 表示：“一些研究表明，人体 80% 的感染可归因于生物膜中生长的细菌。”他是一项使用物理学研究这些生物膜如何生长的新研究的主要作者。

本周，《自然物理》杂志发表了一篇题为《细菌菌落生长的生物物理基础》的论文，该论文表明，生物膜的适应性(即其生长、扩张和从培养基或基质中吸收营养的能力)在很大程度上受到生物膜边缘与基质的接触角的影响。该研究还发现，这种几何形状对适应性的影响比其他任何因素都要大，包括细胞繁殖的速度。

“这对我们来说是个大惊喜，”通讯作者、佐治亚理工学院物理学院副教授彼得·云克 (Peter Yunker) 表示。“我们预计几何形状将发挥重要作用，我们认为弄清楚几何形状究竟是什么对于理解为什么范围扩展率(例如，生物膜随时间扩散到表面的速率)是恒定的非常重要。但我们在开始这个项目时并没有想到几何形状会是最重要的因素。”

了解生物膜如何生长以及哪些因素影响其生长速度，可以为控制生物膜提供关键见解，并将其应用于人类健康，例如减缓感染的传播或创造更清洁的表面。

“让我兴奋的是，这是利用物理学来了解复杂生物系统的机会，”Pokhrel 补充道，他也是 Yunker 实验室的博士生。“尤其是在一个有如此多应用的项目上。对人类健康的重要性和令人兴奋的研究相结合，对我来说真的很有趣。”

一种新方法

虽然生物膜在自然界中无处不在，但研究它们却很困难。由于这些“微生物之城”由微小的个体组成，科学家们很难成功地对它们进行成像。

情况在 2015 年发生了改变，当时 Yunker 开始思考干涉法(一种物理学和材料科学中常用的成像技术)是否可以应用于生物膜。

“鉴于我的物理学背景，我熟悉它在材料应用中的用途，”Yunker 回忆道。“我认为更广泛地应用这种技术可能会很有趣，因为我们从几十年的物理学中知道，表面界面包含大量有关创建它们的过程的信息。”

事实证明，该技术简单、有效且省时，能够提供纳米级的细菌菌落分辨率。“它让我们能够以超高分辨率获得细菌群落表面形状的图像，”Yunker 补充道。

利用干涉测量法，该团队开始进行新的生物膜实验，研究菌落形状如何随时间变化。共同第一作者加比·斯坦巴赫(Gabi Steinbach)曾是云克实验室的博士后学者，现在是马里兰大学的科学研究协调员，他注意到每个菌落小的时候都有特定的形状：球形帽，就像球体顶部的切片，或一滴水。这种形状在物理学中经常出现，这引起了团队的兴趣。

“物理学中的球形帽非常有趣，因为它是一种表面最小化的形状，”Pokhrel 补充道。“我很好奇为什么生物材料会以这种形状生长，我们开始怀疑这其中是否有一些物理原理——也许与几何学有关。这让我们想到也许我们可以开发一个模型。这让我非常兴奋。”

数学之谜

然而，研究人员很快就遇到了障碍。“虽然我们一开始可以看到菌落呈球形，但随着它们的生长，它们的形状会发生变化，”Pokhrel 说。“而且它们生长成的形状很难用现有的球形几何形状来描述。”

“中间部分生长得不够快，无法保持球形帽的形状，我们想把这一切都与范围扩张联系起来(菌落蔓延到表面的速度)，”Yunker 补充道。“但我们知道，几何形状在某种程度上发挥着非常重要的作用。”

最后，杨克实验室的前研究生、现任南加州大学博士后研究员、该论文的作者之一托马斯·戴(Thomas Day)提出了一个称为餐巾环问题的奇怪几何问题。

“我们一开始思考餐巾环问题，就能够着手开发数学工具包，”Yunker 说，尽管解决方案并非轻而易举。“我们找不到任何曾经研究过球形盖餐巾环的人，因为这种应用非常罕见。”

Pokhrel 与两位合著者一起负责研究几何形状。他发现细胞在形状的边缘呈指数增长，进一步扩展到培养基上，而中间的细胞则向上生长，形成一种类似于煎锅中的鸡蛋的形状——如果蛋清向外扩展，而蛋黄只会长得更高。

这是一个突破性的发现：由于中间的细胞仅对生物膜的高度有贡献，因此研究小组只需要考虑生物膜边缘有多少细胞，以及它们生长和扩散所需的形状。

在将他们的发现纳入数学模型后，研究小组发现接触角是最重要的因素：生物膜的边缘接触其生长表面时形成的角度。这种几何特性对生物膜的生长甚至比其繁殖细胞的速度更为重要。

物理学与生物学的联系

总的来说，这个项目从构思到发布用了三年多的时间。“Aawaz 真的付出了巨大的努力，才完成了这项工作，”Yunker 说。“这花了很多年，也进行了很多实验。但最终的产品绝对值得。”

研究团队希望这项研究能够为未来的研究铺平道路，从而实现控制生物膜生长等应用以帮助预防感染。

“展望未来，仍有许多研究途径，”Pokhrel 说。“例如，观察生物膜之间的竞争实验——较高的菌落是否会改变其接触角，以便它们能够更快地扩散?这种几何形状在竞争中起什么作用?”

“生物学很复杂，”Yunker 说。在自然界中，生物膜生长的表面可能不像实验室表面那样一致，菌落可能有不同的突变或可能由多个物种组成。“但我们首先需要了解当温度和营养物质供应稳定时会发生什么。”

虽然该模型基于生物膜在受控实验室环境中的行为，但它是了解生物膜在自然界中的行为的关键的第一步。