聚合物中的细菌会产生类似电缆的结构，这些结构会生长成活凝胶

加州理工学院和普林斯顿大学的科学家发现，在粘液等聚合物溶液中生长的细菌细胞会形成长电缆，相互弯曲和扭曲，形成一种“活果冻”。

这一发现对于囊性纤维化等疾病的研究和治疗尤为重要，在囊性纤维化中，肺部的粘液变得更加集中，通常会导致细菌感染，这些细菌感染会影响粘液，从而威胁生命。这一发现也可能对研究分泌聚合物的细菌聚集物（如生物膜，即河流岩石上的滑溜粘性物质）以及可能导致设备故障和健康危害的工业应用产生影响

这项工作在1月17日发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中进行了描述

加州理工学院化学工程、生物工程和生物物理学教授、这篇新论文的通讯作者Sujit Datta说：“我们发现，当许多细菌在含有被称为聚合物的意大利面条状分子的液体中生长时，如肺部的粘液，它们会形成电缆状结构，交织成活凝胶。”。“有趣的是，这些结构如何形成的物理学与许多非生命凝胶（如Purell或Jell-O）背后的微观物理学之间存在相似之处。”Datta最近从普林斯顿大学搬到了加州理工学院。他在普林斯顿大学的研究生之一Sebastian Gonzalez La Corte是这篇论文的主要作者。他和Datta一直对囊性纤维化患者肺部和肠道中粘液浓度的变化感兴趣，这些患者体内存在比平时更多的聚合物。Gonzalez-La Corte使用麻省理工学院同事提供的粘液样本，在常规液体和囊性纤维化样样本中培养大肠杆菌（常用于实验室研究），然后在显微镜下观察样本，观察每种情况下细菌细胞的生长情况

他专注于失去游泳能力的细胞，就像自然界中的许多细菌一样。在正常情况下，当这样的细胞分裂成两个时，产生的细胞会分离并相互扩散。然而，Gonzalez-La Corte发现，在聚合物溶液中，复制的细胞仍然端对端地粘在一起

Gonzalez-La Corte说：“随着细胞继续分裂并相互粘附，它们开始形成我们称之为电缆的美丽长结构。”。“在某些时候，它们实际上会相互弯曲和折叠，形成一个纠缠的网络。”

研究小组发现，只要细胞有所需的营养，电缆就会继续伸长和生长，最终形成数千个细胞长的链

随后的实验表明，引入哪种细菌似乎并不重要，有机聚合物溶液的类型也没有区别；一旦足够的聚合物包围细菌细胞，电缆就会生长。研究人员甚至在合成聚合物中的细菌身上也看到了同样的结果

尽管这项研究的最初动机是更好地了解囊性纤维化患者感染的增长情况，但研究结果具有更广泛的相关性。粘液在人体中起着重要作用，不仅在肺部，而且在肠道和宫颈阴道。Datta说，这项工作在生物膜的背景下也很重要，生物膜是一种细菌群，可以生长出自己的包封聚合物基质。人体内有生物膜，如牙菌斑，但它们在土壤和工业环境中也极为常见，会损坏设备并对健康造成危害

Datta说：“它们分泌的聚合物基质使生物膜很难从表面去除并用抗生素治疗。”。“了解细胞如何在该基质中生长可能是发现如何更好地控制生物膜的关键。”

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

通过精心设计的实验，研究小组发现，分裂细胞周围的聚合物施加的外部压力迫使细胞聚集在一起并将其固定在适当的位置。在物理学中，这种受外部压力控制的吸引力被称为耗尽相互作用。Gonzalez-La Corte利用耗竭相互作用理论创建了细菌电缆生长的理论模型。该模型可以预测电缆何时能在聚合物环境中存活和生长

Datta说：“现在我们实际上可以在这些生物系统中使用聚合物物理学中为完全不同的事物开发的既定理论来定量预测这些电缆何时出现。”

为什么细菌会形成这些电缆

达塔说：“我们发现了这个有趣、不寻常、非常出乎意料的现象。”。“我们还可以从力学和物理学的角度解释为什么会发生这种情况。现在的问题是：这有什么生物学意义？”

有趣的是，有两种可能性：细菌可能聚集在一起形成这种活凝胶网络，以使自己变大，从而使免疫细胞更难吞噬和破坏。或者，电缆的形成实际上可能对细菌有害。毕竟，宿主的分泌物会导致细菌形成电缆。Datta说：“粘液不是静止的；例如，在肺部，它不断地被肺部表面的小毛发卷起并向上推动。”。“可能是当细菌都聚集在这些电缆中时，实际上更容易清除它们——将它们排出体外吗？”

目前，没有人知道哪种可能性是正确的，Datta说这就是这个项目仍然有趣的原因。他说：“现在我们已经发现了这种现象，我们可以提出这些新问题，并设计进一步的实验来检验我们的怀疑。” More information: Sebastian Gonzalez La Corte et al, Morphogenesis of bacterial cables in polymeric environments, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adq7797. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq7797

Journal information: Science Advances