2021年02月05日

港中大物理学者发现活性物质自组织的新路径 为开发新型自驱动器件和微生物学研究提供崭新方向

由香港中文大学(中大)物理系副教授吴艺林教授领导的国际研究小组在活性物质领域取得新突破。团队发现材料的黏弹性可以控制活性流体在空间和时间上的自组织过程。研究结果有望应用于新型自驱动材料或器件的制备,例如无须电路元件便能产生动作节奏的微型软体机器人,同时为微生物学研究提供崭新方向。研究刚于国际科学期刊《自然》发表。

吴艺林教授(前排中)及其研究团队成员

活性物质是指局部地利用能量产生运动的物质系统,包括从单细胞到动物的所有生命体,由分子马达驱动的生物分子,以及人工合成的自驱动物质等。活性物质研究是近年发展迅速的跨学科领域。这些系统蕴含的自组织(即个体之间相互影响而产生有序结构的过程)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。

吴艺林教授及其博士研究生刘松(现于韩国基础科学研究院进行博士后研究)一直专注研究生命体,尤其是微生物构成的活性物质。早于2017年,他们已在《自然》发表一项合作研究,揭示一种可以在生物系统中产生集体振荡的「弱同步」机制,指出大量不规则运动的细胞个体之间只要有微弱的耦合(weakly-coupled),就可以形成隐藏的周期性集体振荡(亦即时间上的有序性)。然而,要在时间和空间上同时控制活性物质的有序性却十分困难。

在新研究中,中大团队在活性流体的黏弹性中成功找到线索。黏弹性是常见于复杂流体的一种力学性质,用于描述复杂流体在遇到外力的形变过程中,同时具有黏性流体和弹性固体的特性。团队利用DNA分子调控细菌活性流体的黏弹性,并在显微镜下发现惊人的景象:细菌活性流体先在空间上自组织成有序的定向运动,并形成毫米尺度的巨大涡旋;然后涡旋周期性地改变旋转方向,犹如一个自主驱动的扭摆,呈现稳定的时间有序性。团队认为这个现象可能源于黏弹性应力弛豫和主动应力之间的相互影响。黏弹性应力弛豫指复杂流体在遇到外力时从类似固体转变至类似液体的过程。

为进一步理解这些现象,中大团队与加州大学圣塔芭芭拉分校的理论物理学教授Cristina Marchetti及其博士研究生、现为哈佛大学研究员的Suraj Shankar合作。两位合作者建立了新的理论,描述细菌主动应力、介质弹性应力,以及细菌速度场和方向场之间的相互作用。他们根据理论进行分析和数值模拟,复现了主要实验结果,并基于黏弹性应力弛豫和主动应力的时间尺度,解释了活性物质在时间和空间上的自组织起源。

(图(a) 显微镜下,细菌活性物质形成的毫米尺度巨型涡旋。(b) 巨型涡旋产生的瞬时速度场。图a和b的尺规为250微米。(c) 巨型涡旋周期性地反转旋转方向(即扭摆式振动)。(d) 巨型旋涡的周期性振动过程。)

这项研究是首次在实验上证实材料的黏弹性可以控制活性物质的自组织过程。研究结果将有助促进非平衡物理学的发展,并为制备新型、可调控的自驱动器件或材料提供崭新方向。例如活性流体在自组织过程中形成的毫米尺度涡旋,当与传动系统耦合时,可作为无须电路元件的「时间信号发生器」发出定时信号,用来调控微流系统的液体运输或控制软体机械人产生动作节奏。此外,微生物在自然界和动物消化道中,通常在含有高黏弹性分子的环境运动。这次研究亦表明环境的黏弹性改变,可能会改变细菌的集体运动模式,从而影响微生物群落的集体扩散和迁移。

参与这次研究的中大团队获香港研究资助局、国家自然科学基金委员会,以及中大研究事务委员会资助。论文全文请参阅﹕https://www.nature.com/articles/s41586-020-03168-6.

吴艺林教授目前在深圳研究院承担的项目

国家自然科学基金委员会资助项目:细菌集群的运动选择性及其对群体耐药性的作用-31971182


原文转载

香港中文大学传讯及公共关系处 二零二一年二月四日《中大物理学者发现活性物质自组织的新路径 为开发新型自驱动器件和微生物学研究提供崭新方向》https://www.cpr.cuhk.edu.hk/tc/press/85204/