▎藥明康德内容團隊編輯
想象這樣的場景：當我們在漂浮着大量障礙物的泳池中遊泳時，速度勢必會大打折扣。但對于微觀世界中的細菌來說，情況卻恰好相反：流體中有大量固體障礙物、黏性增加時，其中的細菌反而可能會遊得更快。
早在1960年，就有科學家注意到細菌遊動的奇異之處。當時，曼徹斯特大學的細菌學家J. G. Shoesmith觀察到，相比于普通流體，細菌在混有聚合物的流體中遊動更快。自那時起，這個反常的現象受到不少科學家的關注。
早期的猜想認為，這個現象與細菌鞭毛的形态變化有關。鞭毛是細菌尾部的螺旋狀纖維，它們通過鈎狀體結構與細菌相連，為細菌的運動提供推動力。當這些鞭毛以相同的方向轉動時，細菌身體需要相應地轉動以平衡鞭毛的運動。不過，聚合物會改變鞭毛形态終歸隻是猜想，長期以來并沒有證據支援這一觀點。
▲在複雜流體（例如人體環境）中，細菌為何遊動速度更快？（圖檔來源：明尼蘇達大學程翔研究組）
此後，陸續有學者提出其他解釋。其中一個假說認為，這個現象與聚合物的鍊狀結構有關：當細菌穿過鍊狀分子形成的網絡時，轉動的鞭毛會将聚合物分子拉伸，這又反過來為細菌提供了彈力。因為這個過程，細菌身體與整體運動方向的夾角變小，是以遊得更快。
不過，一項發表于《科學》的最新研究給這個解釋投了反對票。由明尼蘇達大學程翔教授和北京計算科學研究中心徐辛亮研究員上司的團隊揭開了細菌在複雜流體環境中遊動的秘密。這項研究不僅為持續半個多世紀的細菌遊動之謎提供了答案，還将幫助科學家為那些由細菌導緻的疾病開發新療法，并設計基于細菌的藥物遞送系統。
“自從17世紀發明顯微鏡以來，人們就被細菌的遊動方式所吸引。但直到現在，我們對這個過程的認識仍主要局限在簡單液體（例如水）中，”論文第一作者，明尼蘇達大學化學工程系的博士生Shashank Kamdar說，“但細菌如何在真實生命環境中遊動，卻仍是一個開放的問題。”
在最新論文中，研究團隊首先将流體中的聚合物換成了固體小顆粒。固體顆粒與聚合物的動力學性質迥異，但研究團隊卻發現細菌在其中的遊動非但沒有減速，反倒更快了。是以，造成細菌加速的不是鍊狀分子本身的性質，而是在流體環境中需要存在固體“障礙物”。
在顯微鏡下，研究者觀察到這些聚合物或顆粒是如何讓細菌加速的。當細菌的身體與鞭毛方向不一緻時，細菌會沿着螺旋的軌迹搖晃着前行，造成速度損耗。而當納米或微米尺度的固體存在時——無論是聚合物還是顆粒物——這樣的晃動都會減弱，細菌的遊動軌迹更直、直線速度也更快。
▲接近固體顆粒時，細菌運動加速（圖檔來源：參考資料[1]）
接下來的問題自然是：為什麼在這樣的複雜流體環境中，細菌就會沿直線運動？研究團隊通過模型研究提出，當細菌經過聚合物或顆粒附近時，産生的拖拽力造成鈎狀體彎曲、改變鞭毛的方向。這時，鞭毛與細菌身體的方向更加一緻，是以正如前文所述，細菌可以遊得更快。
▲固體顆粒或聚合物的存在，使得細菌的運動軌迹更直（圖檔來源：參考資料[2]）
了解細菌如何穿過複雜的黏性環境（包括人體環境），能幫助科學家設計新療法，甚至是将細菌用作遞送藥物的載體。程翔教授表示，了解細菌如何在複雜環境中遊動對于人體健康十分重要，例如某些細菌會導緻胃潰瘍，而胃黏膜就是複雜的黏性環境。是以，研究細菌如何在這樣的環境中遊動，對于了解疾病傳播擴散的方式至關重要。
這項發現還有望啟發微型機器人的研究：基于類似的設計，通過改變機器人主體與合成“鞭毛”的夾角，人們或許能操控機器人的運動。當然，相比于這些可能帶來變革的前景，現在我們可以确定的是：這些微小的個體在面臨障礙時，确實做到了愈挫愈勇呢。
參考資料：
[3] New study of how bacteria swim could help prevent the spread of disease and improve medical treatments. Retrieved Mar 30th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/948099
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