Nature communication：流動對遊動細菌在曲面上初始定殖的控制作用
細菌在表面上的定殖是一個普遍現象，對環境過程和人類健康有着重要影響。儘管關於細菌定殖的分子機制已有較多瞭解，但物理環境的影響仍然知之甚少。在本文中，我們展示了流動在很大程度上控制了運動性細菌在非平面表面上的定殖。通過使用綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）和大腸桿菌（Escherichia coli）的微流控實驗，我們證明了曲面產生的速度梯度驅動細菌優先附着在收集表面的特定區域，即圓柱體的背風面和波紋表面峯後的區域，這與非運動性細菌的附着位置形成鮮明對比。附着位置和速率取決於局部流體動力學，並且如數學模型所揭示的，還取決於細胞形態和遊動特性。這些結果突顯了流動對細菌表面定殖規模和位置的重要性。
研究方法：
使用微流控實驗，研究了綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）和大腸桿菌（Escherichia coli）在曲面上的附着行爲。通過觀察不同流速下細菌在圓柱和波紋表面上的附着位置，結合數學模型分析細菌形態和遊動特徵對附着的影響。
主要結果：
1. 細菌附着位置與流動速度的關係
通過實驗和數學模型，研究發現流動速度對細菌在曲面上的附着位置有顯著影響。具體表現如下：在低至中等流動速度下（相對細菌遊動速度U/V < 20），運動性細菌傾向於附着在曲面的背風面。例如，在圓柱體表面，細菌主要集中在圓柱的背風面，而在波紋表面，細菌則集中在波峯後的區域。當流動速度較高（U/V > 20）時，運動性細菌的附着位置從背風面轉移到迎風面。這是因爲高流動速度使得細菌無法克服流動的速度，進而被迫附着在迎風面。
2. 運動性細菌與非運動性細菌的附着差異
實驗比較了運動性細菌（如野生型Pseudomonas aeruginosa）和非運動性突變株（如PA14 flgE和PA14 motB）的附着行爲，結果如下：運動性細菌在中等流動速度下的附着率比非運動性細菌高一個數量級以上。這說明細菌的遊動能力在流動條件下顯著增強了其附着能力。非運動性細菌主要附着在迎風面，而不是背風面。這與被動顆粒的附着行爲一致，表明流動速度對被動顆粒和非運動性細菌的附着影響相似。
3. 數學模型驗證
研究者通過數學模型模擬了細菌在流動中的運動軌跡和附着行爲，驗證了實驗觀察到的現象。模型中，細菌被模擬爲橢圓形，並考慮了流動對細菌遊動方向的扭矩影響。模型結果顯示，在低至中等流動速度下，細菌在曲面背風面的附着率最高。這與實驗結果一致。在高流動速度下，細菌的附着位置轉移到迎風面，驗證了實驗觀察到的附着位置變化。
4. 細菌形態對附着的影響
研究還探討了細菌形態（如細胞的長寬比）對其附着行爲的影響。模型結果顯示，細菌的長寬比對其在流動中的附着行爲有顯著影響。長寬比越高的細菌越容易在流動中被重新定向，從而在背風面附着。當細菌的長寬比從1（球形）增加到3時，背風面附着顯著增加，進一步增加長寬比的影響則趨於平緩。
5. 流動和曲面形狀的綜合影響
研究結果表明，細菌在不同曲面上的附着行爲不僅受流動速度的影響，還與曲面的幾何形狀有關。在具有不同曲率的表面（如圓柱體和波紋表面），細菌的附着位置和密度顯著不同。曲率大的區域（如波峯和圓柱的側面）產生更強的流動速度梯度，促使細菌在這些區域的背風面附着。通過改變表面的溼潤性和剛度，研究發現這些物理特性對細菌的附着位置影響較小，進一步證明了流動和細菌遊動特性在決定附着位置中的主導作用。
討論：
細菌運動性在促進與表面接觸並附着於表面方面的作用已爲人們所知，並被認爲是細菌從浮游狀態向表面相關狀態轉變的一個重要早期步驟，這種轉變啓動了生物膜的發育。然而，從機制角度考慮流動在這一過程中的作用，即確定流動對細菌軌跡的影響如何影響表面定殖，研究較少。對於平面表面，已提出流動通過剪切捕獲促進表面定殖。在這裏，我們專注於曲面，並展示了流動的兩個主要後果。首先，在有流動的情況下，細菌的運動性顯著增強了細菌附着於表面的能力。其次，流體流動與細菌的伸長和遊動特性（速度、翻滾率）共同作用，決定了細胞接觸曲面的位置，導致表面定殖模式，特別是背風附着，與忽略流動或運動性時預期的結果有顯著不同。前者的觀察結果擴展了主要在海洋下沉顆粒背景下獲得的球形聚集體定殖的理論結果，應用於不同尺寸的圓柱柱和廣泛的流速範圍，這對從過濾過程到生物污損和生物堵塞的應用具有特別意義。第二個觀察結果，據我們所知，以前未曾報道過，但我們對不同表面幾何形狀、附着性質和細菌種類的實驗表明，背風附着現象可能具有普遍性。
流體流動的大小在背風附着中起着根本作用。一旦細菌被流動重新定向，背風附着就會發生，前提是細菌能夠在柱子或其他曲面後方的尾流中逆流遊動。當流速太高時，這種情況不會發生。因此，在流速遠高於細菌遊動速度時，不會觀察到背風附着。在這裏，我們觀察到流速高達細菌遊動速度13倍的背風附着，即600微米/秒（對於遊動速度爲45微米/秒的綠膿桿菌）。雖然預期背風捕獲的確切流速閾值取決於細菌的遊動速度和伸長，但自然細菌棲息地中預期背風捕獲的流速非常普遍。例如，在土壤中，地下水的流速可以根據土壤類型在1到1000微米/秒之間變化。
導致背風附着的剪切引起的重新定向過程取決於兩種細菌表型：形狀和在體積中的運動性。這兩種表型的作用在相關的剪切誘導捕獲過程中已經得到確認，並在我們的觀察和數學模型中得到了驗證。通過將細胞引向柱子的背風側，進而增加與表面的局部接觸事件數量，剪切與運動性的相互作用促進了柱子表面特定區域的優先定殖。通過測量標記有GFP的運動性PA14野生型細胞的熒光強度，我們的觀察證實了表面定殖的異質性。優先的背風附着在更高的熒光強度上清晰可見。僅在運動性細胞中觀察到優先的背風附着，而在兩種非運動性PA14菌株中沒有觀察到。後者優先附着在柱子的迎風側，這是被動顆粒所期望的。數學模型表明，細菌的運動性決定了細菌在柱子周圍的附着位置分佈：運動性細胞優先附着在柱子的背風表面，而非運動性細胞僅附着在迎風側。此外，在流動方向在2.5小時後反轉的實驗中，在隨後的2.5小時內，在柱子的相對側（最初的迎風側）形成了第二個對稱的附着峯，進一步證實了這一現象的穩健性。
流動對遊動細菌的影響控制了曲面上的初始定殖。這是由於細菌運動性和曲面產生的剪切流動特性之間的相互作用，而不是表面的物理化學性質。我們製造了不同潤溼性和剛度的PDMS柱，並在單一流速下對其進行了測試。雖然表面覆蓋率隨着表面性質的變化而變化，但表面定殖的角分佈相似，並且在所有測試的柱子中都穩健地觀察到背風附着峯。同樣，背風附着不是使用特定培養基的結果。培養基可以影響細菌附着在表面上，這是由於pH值和電解質濃度的變化。結果表明，無論使用何種培養基，細菌分佈相似，並且始終觀察到背風附着。使用稀釋培養基使我們排除了細菌生長是導致柱子周圍細菌角分佈的原因，因爲在稀釋培養基中的生長速度太慢。總之，這些觀察結果證實了背風附着現象的純粹流體動力學性質，這不依賴於表面的物理化學性質或細菌的附着性。柱子優先區域中細菌密度的增加是由於流動引起的細菌與表面接觸概率的增加，從而形成優先的定殖點。
由於附着點是生物膜形成的播種地，這裏描述的流動與運動性的相互作用爲不同表型特徵細菌的表面異質性播種提供了機制。因此，異質性不僅在生物膜發育期間由於生物相互作用驅動的空間隔離而產生，而且由於細菌如何遇到表面的物理特性而從一開始就存在。細胞形態在流動中的表面定殖中已經被證明是有益的，這表明特定形狀可以在不同的流體動力學條件下有利於細菌。在羣體水平上，表型特徵與流動之間的這種相互作用可能決定了長期的種羣動態，類似於基於不同附着能力的霍亂弧菌菌株在平面表面上的流動誘導的空間隔離。我們的結果表明，在以流動爲特徵的環境中，細菌表面定殖的生態位可能是細胞形態和遊動行爲的函數，並且流動環境可以通過在流動條件、表面地形和物種競爭之間創造反饋，顯著影響細菌的元羣體動態。這種優先附着因此可能在決定水生生態系統中的微生物羣落結構、適應性和潛在進化方面，以及在醫療和工業環境中發揮重要作用。
我們已經表明，流動與運動性的相互作用可以促進曲面上的定殖熱點的形成。定殖熱點反過來又是生物膜形成和羣體感應的有利場所。強流動可以通過稀釋誘導分子濃度抑制羣體感應，但在受保護的區域（如角落和縫隙中），流動的影響被顯著減弱。背風附着熱點可能通過更高的局部細菌密度和附着位置的受保護性質促進羣體感應。由於抗生素耐藥性和致病性是由羣體感應介導的行爲，這一結果突顯了流動、運動性和表面幾何形狀在廣泛的健康相關過程中潛在的重要性，對過濾器和醫療設備的設計具有重要意義。此外，觀察到細菌的傳輸和附着主要由細菌形態、表面地形和流動控制，表明了一種以前未識別的、可能無處不在的相互作用，有助於流體環境中的表面定殖。這一知識和我們提出的定量機械模型，開啓了控制細菌表面定殖的新前沿，並呼籲更好地瞭解在許多應用中生物膜形成的生態和技術後果，這些應用中，生物膜的形成要麼是可取的，如污水處理廠和生物修復系統，要麼是要避免的，如人工植入物、醫療設備和海水淡化膜。
