细菌活性物质的时空有序性的粘弹性调控

活性物质由通过消耗能量产生机械功的单元组成。例子包括生命系统，如细菌聚集体和生物组织、由分子马达驱动的生物聚合物，以及合成自驱动颗粒的悬浮液。该领域的一个核心问题是理解和控制活性聚集体在时空中的自组织。大多数活性系统要么表现出由协调活性个体的空间结构和运动的交互作用所介导的空间有序，要么表现出个体振荡动力学的时间同步。对空间和时间组织的同步控制更具挑战性，且通常需要复杂的交互作用，例如反应-扩散层级或基因工程细胞回路。在此，我们报告了一种新颖而简单的方法，可同时控制细菌活性物质的空间和时间自组织。通过限制活性细菌悬浮液并操纵单一宏观参数，即悬浮流体的粘弹性，我们发现细菌流体首先在空间中自组织成毫米尺度的旋转涡旋；随后表现出时间组织，因为该巨型涡旋以可调频率周期性地切换其全局手性，让人联想到一个自驱动的扭摆。结合实验与活性物质模型，我们从主动力与粘弹性应力松弛之间的相互作用角度解释了这一显著行为。我们的发现增进了对复杂流体中细菌行为的理解，并首次通过实验证明流变学性质可被用来控制活性物质流动。结合驱动，我们可调的自振荡细菌涡旋可用作软体机器人运动和微流控泵送的“时钟”。