吴艺林:在细菌中发现新的集体振荡规律

由香港中文大学生物物理学者吴艺林(中国科大0007校友)带领的国际研究小组最近发现了生物学上一种全新的集体振荡规律。该规律并不需要由自身振动的细胞之间建立长距离联系来产生,与学术界一直理解的生物集体振荡现象截然不同。新发现于2017年2月9日发表于国际科学期刊《自然》,有望为生物医学研究及自驱动活性物质(active matter)的物理研究提供新方向。

 (右起)中大物理系生物物理研究团队:博士研究生刘松、左文龙、郦野和吴艺林教授。

该研究小组由中大博士研究生刘松和陈崇、物理系助理教授吴艺林、法国原子能总署萨克雷研究中心(CEA-Saclay)教授 Hugues Chaté 以及苏州大学物理系副教授施夏清组成。中大博士研究生郦野和左文龙也参与了部分工作。他们在细菌悬浮液中发现,当成千上万个细菌处于高度密集状态时,每个细菌看似杂乱无章地运动,內里却潜藏着高度有序的集体振荡。这是学术界首次在实验中观察到随机运动的“弱同步”现象,该现象展示了多细胞生物系统中崭新的集体振荡模式。实验结果和数学模型显示,“弱同步”现象可能源于细菌间的微弱耦合(局域相互作用)引起的自发对称性破缺。

稠密的大肠杆菌(E. coli)悬液中的集体振荡现象(视频链接见文末)。(a)细菌的集体运动速度场。(b)两个示踪粒子做周期性运动,反映了细菌的集体振荡。(c)细菌集体振荡的速度。

新发现扩展了科学家对于生物体系中自组织现象的认识。周期性集体振荡现象广泛存在于自然界中,并且在胚胎发育、器官生长和神经网络信号同步等许多生物过程中起到重要的作用。以往在生物体系中发现的集体振荡现象需要细胞个体自身具有振荡行为,而且通常需要在细胞之间建立长距离的相互作用,而此项研究中发现的周期性集体振荡现象并不需要长程相互作用。更重要的是,这一现象中细菌个体行为本身并不存在任何周期性;然而将大量无规则但微弱耦合的单个细菌轨迹进行统计平均之后,周期性就会浮现出来。换言之,这一现象隐藏在单个细菌的随机行为之中,因而长久以来被人们所忽视。由于细菌在自然界或动物体内通常以微生物膜(Biofilm)的形式生存,新研究揭示的周期性集体振荡机制可能影响微生物膜的形成过程和结构。研究团队也期望未来于其他多细胞生长过程中亦找到这独特的振动规律,以进一步了解细胞组织生长的机制,促进生物医学的研究。

除此以外,新研究亦为自组织活性物质提供崭新的跨学科研究方向。关于活性物质的研究是一个快速发展中的交叉学科,它研究任何可以利用能量来产生主动运动的物质系统,包括从细胞到动物的所有生命体,由分子马达驱动的亚细胞组分,以及由自驱动单元组装而成的合成材料;这些系统中蕴含的自组织原理可以应用于再生医学、仿生材料和自驱动微纳米器件等领域。此项研究首次在实验中观察到的随机运动“弱同步”现象将增进人们对非平衡物理系统自组织过程的理解。另外,个体之间的局域相互作用产生群体“弱同步”行为的机制有助于设计新的“去中心化”控制策略,可用于控制机器人集群的行为,即令机器之间只需作局部交流而不需中央控制,有助提升这些机器的效率。

中大揭細菌新集體振盪規律

香港文匯報訊(記者 高鈺)由中文大學生物物理學學者領導的國際研究小組,最近於細菌實驗中發現了一種生物學上全新集體振盪規律。與學術界一直理解的集體振盪現象截然不同,該規律並不需要由自身振動的細胞之間建立長距離聯繫而產生,有望為生物醫學研究及活性物質的跨學科研究提供嶄新方向,屬於生物物理學的突破,更獲得國際頂尖科學期刊《自然》選用發表。

該研究小組由中大博士生劉松和陳崇、物理系助理教授吳藝林、法國原子能總署薩克雷研究中心教授Hugues Chaté以及蘇州大學物理系副教授施夏清組成。中大研究團隊於細菌懸浮液中,發現當成千上萬個細菌處於高度密集狀態時,每個細菌看似雜亂無章地運動,內裡卻潛藏着高度有序的集體振盪規律。

這種現象為學術界首次在實驗中觀察到隨機運動的「弱同步」現象,展示了多細胞生物系統中嶄新的集體振盪模式。由Hugues Chaté教授及施夏清教授開發的數學模型,配合中大團隊的實驗結果顯示,有關現象可能源於細菌間的局部性相互作用,引發起名為「自發對稱性破缺(symmetry breaking)」的物理現象。

細菌在自然界或動物體內通常以生物膜(Biofilm)的形式生存,此項研究所揭示的周期性集體振盪機制,可能影響生物膜的形成過程和結構。研究團隊期望未來於其他多細胞生長過程中亦找到這獨特的振動規律,以進一步了解細胞組織生長的機制,促進生物醫學的研究,並為分子馬達、仿生材料和自驅動微納米器件等活性物質提供嶄新的跨學科研究方向。

关于香港中文大学生物物理研究团队

吴艺林教授(0007),2004年本科毕业于中国科学技术大学,2009年获得美国圣母大学博士学位,随后到美国哈佛大学作博士后研究,2012年加入香港中文大学大学物理系任助理教授。吴艺林教授带领的生物物理实验室以微生物为主要体系,研究从单细胞尺度到宏观菌落生命过程的定量规律或物理机制,具体方向包括多细胞体系的集群运动和自组织行为,细胞之间的长程通讯,细菌对环境压力的耐受性,以及微生物的进化动力学。

郦野(10203校友)

参与此项研究的香港中文大学物理系博士生刘松、郦野、左文龙于2014年加入吴艺林教授研究组。刘松本科毕业于西安交通大学,郦野(10203校友)本科毕业于中国科学技术大学,左文龙本科和硕士毕业于中山大学。

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论文基本信息

题目 Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions

作者 Chong Chen, Song Liu, Xia-qing Shi, Hugues Chaté & Yilin Wu

期刊 Nature

DOI 10.1038/nature20817

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供稿 香港中文大学吴艺林研究团队,编辑 金庄维,刊登于《科研圈》

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