From plaque sticking to teeth to scum on a pond, biofilms can be found nearly everywhere. These colonies of bacteria grow on implanted medical devices, our skin, contact lenses, and in our guts and lungs. They can be found in sewers and drainage systems,
从附着在牙齿上的牙菌斑到池塘上的浮渣，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、植物表面甚至海洋中找到
“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，”佐治亚理工学院博士生、一项利用物理学研究这些生物膜如何生长的新研究的主要作者Aawaz Pokhrel说这篇题为“细菌菌落生长的生物物理基础”的论文发表在本周的《自然物理》杂志上，它表明生物膜的适应性——其生长、膨胀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东西都大，包括细胞繁殖的速度
“这对我们来说是一个巨大的惊喜，”通讯作者、佐治亚理工学院物理系副教授Peter Yunker说。“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对于理解为什么范围扩展率（生物膜随时间在表面上传播的速率）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将是最重要的因素。”了解生物膜是如何生长的，以及哪些因素影响了它们的生长速度，可以为控制它们提供关键的见解，并应用于人类健康，如减缓感染传播或创造更清洁的表面
“让我兴奋的是有机会用物理学来了解复杂的生物系统，”Pokhrel补充道，他也是Yunker实验室的博士生。“特别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的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，但研究它们已被证明是困难的。因为这些“微生物之城”是由微小的个体组成的，科学家们一直在努力成功地对它们进行成像
这种情况在2015年发生了变化，当时Yunker开始怀疑干涉测量术（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项技术可能会很有趣，因为我们从几十年的物理学中知道，表面界面包含了大量关于产生它们的过程的信息。”这项技术被证明是简单、有效和省时的，可以提供纳米级的细菌菌落分辨率。“它使我们能够以超分辨率获得地形图——细菌种群表面的形状，”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Gabi Steinbach曾是Yunker实验室的博士后学者，现在是马里兰大学的科研协调员，他注意到每个菌落在小的时候都有一个特定的形状：一个球形帽，就像球体顶部的一片，或者一滴水。这是一种在物理学中经常出现的形状，激发了团队的兴趣
Pokhrel补充道：“物理学中的球形帽非常有趣，因为它是一种最小化表面的形状。”。“我很好奇为什么一种生物材料会以这种形状生长，我们开始想，这其中是否有一些物理学——也许涉及几何。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。”一个数学谜然而，研究人员很快就遇到了障碍。“虽然我们可以看到菌落最初是球形的，但随着它们的生长，它们会偏离这种形状，”Pokhrel说。“它们生长的形状很难用现有的球冠几何形状来描述。”
“中间没有像保持球冠形状那样快速生长，我们想将所有这些与范围扩展（菌落在表面上的扩散速度）联系起来，”Yunker补充道。“但我们知道，几何在某种程度上起着非常重要的作用。”
最后，前Yunker实验室研究生、现任南加州大学博士后的Thomas Day提出了一个奇怪的几何问题，称为餐巾环问题
“一旦我们开始考虑餐巾环问题，我们就能够开始开发一个数学工具包，”Yunker说，尽管解决方案并非易事。“我们找不到以前看过球形帽餐巾环的人，因为这种应用非常罕见。”Pokhrel和两位合著者负责计算几何形状。他发现，细胞在形状的边缘呈指数级生长，在培养基上进一步扩张，而中间的细胞则向上生长，形成了一个与煎锅中的鸡蛋没有什么不同的形状——如果蛋清向外扩张，而蛋黄只会更高这是一个突破性的发现：因为中间的细胞只对生物膜的高度有贡献，所以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：生物膜边缘接触其生长表面时形成的角度。这种单一的几何质量对生物膜的生长比其繁殖细胞的速度更重要
物理学与生物学的联系总体而言，该项目从构思到发表花了三年多的时间。“Aawaz真的做出了令人难以置信的努力，完成了这项工作，”Yunker说。“这是许多年和许多实验。但是，成品是100%值得的。”
该团队希望这项研究将为未来的研究铺平道路，这可能会导致控制生物膜生长等应用，以帮助预防感染
Pokhrel说：“展望未来，仍然有很多研究途径。”。“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，以便更快地传播？这种几何形状在竞争中起着什么作用？”“生物学很复杂，”Yunker说。在自然界中，生物膜生长的表面可能不如实验室表面一致，菌落可能有不同的突变，也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可用性稳定时会发生什么。”虽然该模型基于生物膜在受控实验室环境中的行为，但这是了解它们在自然界中的行为的关键第一步