生命的几何形状：物理学家确定控制生物膜生长的因素

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 More information: Aawaz R. Pokhrel et al, The biophysical basis of bacterial colony growth, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02572-3

Journal information: Nature Physics