研究表明密集排列的大肠杆菌会形成类似胶体玻璃的固定物质

东京大学的最新研究表明，致密的大肠杆菌具有与胶体玻璃相似的几个特性。胶体是由悬浮在液体中的小颗粒组成的物质，例如墨水。当这些颗粒的密度变高并且更加紧密地堆积在一起时，它们就形成了“玻璃态”。

当研究人员在密闭空间内繁殖大肠杆菌时，他们发现它们表现出相似的特性。更令人惊讶的是，它们还表现出一些在玻璃态材料中通常不存在的其他独特性质。

这项研究发表在PNASNexus上，有助于理解玻璃状“活性物质”，这是跨越物理学和生命科学的一个相对较新的材料研究领域。

从长远来看，研究人员希望这些结果将有助于开发具有新功能的材料，并有助于我们了解生物膜(微生物粘在一起在表面形成层)和天然细菌群落。

黄油、肥皂和墨水有什么共同点?它们的味道当然不全都很好，但它们都是胶体，即由悬浮在液体中的颗粒组成的物质。当颗粒浓度较低时，物质会更液态，而当颗粒浓度较高时，物质会变得更固态(想象一下干涸的墨水瓶)。

当发生这种情况时，物质会进入玻璃态，粒子的运动会受到限制。然而，虽然它摸起来很硬，但与其他固体不同，粒子不会形成固定的图案，而是随机地混杂在一起。这类似于玻璃的分子结构。

该视频显示，随着大肠杆菌密度增加，它们无法再移动，它们会转变为玻璃态。图片来源：2024H.Lama、MJYamamoto、Y.Furuta等人/PNASNexus

研究人员现已发现大肠杆菌可以表现出类似的行为。

“由于细菌与我们所知的玻璃非常不同，因此令人惊讶的是玻璃材料的许多统计特性与细菌相同，”理学研究生院物理学系副教授KazumasaTakeuchi说。

“然而，更让我们惊讶的是，深入分析发现，它不仅与玻璃的标准属性相似，还具有其他属性。我们的研究结果要求我们扩展对玻璃物理的现有理解。”

竹内十多年前在另一项研究中观察了细菌的行为，这激发了他开展这项实验的灵感。当时，他发现当细菌群变得非常密集时，它们会突然停止移动，他想了解其中的原因。

主要的挑战是创造一个环境，让细菌能够平等地生长和繁殖，形成一个密集的种群。为了实现这一点，该团队使用了他们之前开发的一种装置，使他们能够通过多孔膜将营养物质均匀地分配给所有细菌。研究人员随后在显微镜下观察了细菌5-6个小时。

随着大肠杆菌数量的增加，它们被邻居关在笼子里，限制了它们自由游动的能力。随着时间的推移，它们转变为玻璃态。这种转变类似于玻璃形成，研究人员注意到运动速度迅速减慢、笼中效应和动态异质性(分子在某些区域移动距离更长，但在其他区域几乎不移动)。

这种细菌玻璃与其他类似玻璃的物质的不同之处在于“微区”的自发形成以及细菌在这些区域内的集体运动。这些运动发生在杆状大肠杆菌群以相同方式排列的地方。

研究人员还惊讶地发现，细菌玻璃化(变成类似玻璃的状态)的方式显然违反了典型热系统的物理定律。我们通常所称的玻璃，包括胶体玻璃，被归类为热玻璃。然而，最近研究人员开始探索玻璃状态，就像本文报道的那样，它们不被认为是热玻璃，但具有许多相同的特性。

竹内解释说：“我们在这里看到的‘自推进粒子’集合最近被视为一种名为活性物质的新料，这是当前的热门话题，显示出巨大的潜力。”

“我们在细菌玻璃方面的研究成果正是沿着这条研究方向进行的，将这一概念扩展到了玻璃材料领域。从长远来看，我们的研究结果可能有助于开发具有普通材料无法实现的一些功能的新料。”

接下来，该团队希望探索这种现象在不同环境中对其他不同种类的细菌的影响。目前正在进行的研究表明，细胞聚集在一起的方式多种多样。

Takeuchi表示：“我们的研究结果表明，密集的细菌可以通过细胞密度的微小变化在群体层面上彻底改变其流动性和机械性能。这些信息可用于在未来调节或控制密集细菌的形成。通过我们的工作，我们希望在统计物理学和生命科学之间建立更深、更广泛的联系。”

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