真实生物环境下的细菌趋化运动研究

Bacterial chemotaxis is essential for bacterial infection and pathogenicity. Previous studies of bacterial chemotaxis focused on chemotactic behavior of isolated bacteria in near-infinite solutions, neglecting the effects of liquid-solid interface and inter-bacteria interactions on bacterial chemotaxis. In real world, bacteria often live near liquid-solid interfaces, and accumulate in large quantities. Because of the effect of liquid-solid interface and inter-bacteria interaction, bacterial chemotaxis in those real-world environments exhibits unique properties different from isolated bacteria in infinite solutions. The present study will combine theoretical simulations and quantitative experimental measurements, and combine multiple techniques such as realtime fluid field monitoring/tracking/analysis, multiple advanced optical imaging methods, statistical modeling, and bacterial genetics, to systematically study the properties and dynamical mechanisms of bacterial chemotaxis in those real-world environments (near liquid-solid interfaces, and in a bacterial swarm). This study will help to obtain new ideas of anti-bacterial infection in real-world situations.

细菌的趋化运动是其感染和致病的关键条件。以往对细菌趋化运动的研究主要集中于近似无限大溶液(三维自由空间)中对孤立细菌趋化运动的研究，而未考虑液-固界面以及细菌之间相互作用对细菌趋化运动的影响。然而在现实中，细菌经常生活在靠近液-固界面处，且经常有大量细菌集结在一起。由于液-固界面的影响，以及细菌之间的相互作用，在这些现实环境下细菌的趋化运动将展现出区别于无限大自由空间中孤立细菌的独特的性质。本项目结合多种光学成像方法、流场实时监控及分析、统计物理建模、细菌基因改造及重组等跨学科技术，将实验定量测量与理论模拟相结合，来系统研究在现实环境下（近液-固界面，以及细菌群集中）细菌趋化运动的特征及其动力学机制。这项研究将有助于获取现实环境下抗细菌感染的新思路。

细菌趋化运动指细菌趋向对其有利的化学环境，避开对其不利的环境。以往对细菌趋化运动的研究主要集中于近似无限大溶液的理想环境中对孤立细菌趋化运动的研究，而未考虑细菌之间相互作用以及其它外界真实环境对细菌趋化运动的影响。本项目结合多种光学成像方法、统计物理建模、细菌基因改造及重组等跨学科技术，将实验定量测量与理论模拟相结合，研究了细菌群集中的趋化运动性质，发现细菌群集中细菌-细菌之间的相互作用能提高细菌的趋化性能；研究了流场环境对细菌趋化的影响，发现流场能促进细菌鞭毛束的形成，从而提高其趋化性能。我们对细菌运动的其它机制也做了研究，包括细菌鞭毛马达转向改变的非平衡机制，铜绿假单胞菌的游动新模式，以及细菌通过李维行走探索环境的机制。在本项目执行期间，共发表共同通讯作者SCI论文15篇，包括Physical Review Letters 1篇，PNAS 1篇，Biophysical Journal 6篇，mBio 2篇，Applied and Environmental Microbiology 4篇，Frontiers in Microbiology 1篇。.