大分子流中细菌逆流游动的巨大增强
软凝聚态物质
2024-08-27 v1 生物物理
摘要
许多细菌生活在富含大分子聚合物的自然和临床环境中。大分子流体通常表现出粘弹性和非牛顿流变行为；目前尚不清楚这些复杂流体特性如何影响流体中的细菌输运。在此，我们结合高分辨率显微镜和数值模拟，研究细菌对各种大分子流体剪切流的响应。与牛顿剪切流中的情况形成鲜明对比，我们发现，大分子流中的有鞭毛细菌在固体表面附近表现出巨大的逆流游动能力（一种类似于鱼逆流而上的行为）：细胞可以在高达约 65 的剪切率下抵抗流体冲刷，这比牛顿流体中细胞游动的极限高出一个数量级。逆流游动的显著增强取决于两种典型的复杂流体特性，即粘弹性和剪切稀化粘度；同时，使用牛顿型聚合物增加粘度则会阻止逆流运动。通过可视化鞭毛束并模拟复杂流体中的细菌游动，我们将此现象解释为：主要由于粘弹性升力的存在以及剪切稀化诱导的方位角扭矩促进了细菌逆流方向的对齐，从而增强了大分子流中的“风向标效应”。我们的发现揭示了细菌在大分子环境中的输运和表面定殖机制，并可能为在生理条件下用于生物医学应用的人工螺旋微型游动机器人的设计提供参考。
引用
@article{arxiv.2408.13694,
title = {Giant enhancement of bacterial upstream swimming in macromolecular flows},
author = {Ding Cao and Ran Tao and Albane Théry and Song Liu and Arnold J. T. M. Mathijssen and Yilin Wu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2408.13694},
year = {2024}
}