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为探究粘细菌（Myxococcus xanthus）菌落形成多层结构和液滴状子实体的力学机制，研究人员测量细胞多方面指标。结果发现极性波动触发新细胞层形成，细胞可通过调节反转频率控制局部极性序。这揭示了菌落形态调控新机制。
在神奇的微生物世界里，有一种名为粘细菌（Myxococcus xanthus）的小家伙，它们过着独特的 “群居生活”。当营养充足时，这些杆状细菌会在表面滑行，形成薄薄的单层细胞；但一旦遭遇营养匮乏，它们就像收到了神秘指令，会迅速改变策略，细胞开始堆积，逐渐形成三维的液滴状子实体，以此来度过艰难时期。这种从单层到多层的形态转变，一直吸引着科学家们的目光。
以往的研究大多集中在控制子实体形成的生物学途径上，然而，触发细胞多层形成和液滴状结构出现的机械事件却一直迷雾重重。在这个充满未知的领域里，科学家们深知，揭开其中的奥秘不仅能加深我们对微生物群体行为的理解，还可能为生物工程、医学等多个领域带来新的启示。于是，来自普林斯顿大学（Princeton University）、南洋理工大学（Nanyang Technological University）等多个研究机构的研究人员，踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在了《Nature Communications》上。
研究人员为了攻克这一难题，采用了多种先进的技术方法。在实验过程中，他们利用牵引力图（TFM）技术，精确测量细胞施加在基质上的剪切应力，以此来探究细胞间的作用力；同时，运用极性测量技术，借助表达荧光融合蛋白的菌株，清晰地定义每个细胞的极性。通过这些技术，他们获取了细胞在不同状态下的关键信息。
研究结果令人眼前一亮。首先，瞬时细胞极性成为细胞流动的主要驱动力。粘细菌细胞层中存在着拓扑电荷为 + 1/2 的彗星状缺陷和电荷为 -1/2 的三角形缺陷，这表明系统具有向列性。虽然活性向列理论能够解释缺陷周围的平均细胞流动，但新层的形成却充满了随机性。研究人员发现，速度波动比平均速度大得多，而这主要是由局部极性序的波动引起的。在细胞排列区域，瞬时极性驱动细胞流动；在 + 1/2 缺陷附近，尽管向列和极性序都影响细胞运动，但瞬时局部极性序仍是速度场的主要驱动力。
其次，极性驱动的细胞流入推动了层的形成。新层的形成需要细胞的局部流入，研究人员通过测量极性通量、速度通量和体积变化发现，大部分流入是由局部极性引起的强速度波动导致的，而非平均流动。在 + 1/2 缺陷周围，有新层形成的区域，其极性通量和速度通量呈现出与无新层形成区域不同的趋势，这进一步证实了极性驱动细胞流入对层形成的重要作用。
再者，细胞牵引与层形成之间存在紧密联系。利用 TFM 技术，研究人员发现平均牵引场与活性向列模型预测相符，但瞬时牵引的标准差比平均值大得多，且这种波动不受向列序控制。极性活性力的波动会产生压力场的波动，从而触发新细胞层的形成。在 + 1/2 缺陷附近，新层形成时，牵引显著增加，且形成后不会立即松弛。
最后，细胞反转对控制局部极性序和层形成有着关键作用。研究人员通过对非反转突变体的研究发现，较长的反转时间能够增强系统中的局部极性序。非反转突变体产生了更多的多层区域，其极性和速度的相关时间更长，应力波动更强。虽然细胞极性变得更加持久，但菌落仍然保持向列性。
在结论和讨论部分，研究揭示了粘细菌薄菌落中向列序和极性序的共存现象。平均来看，菌落表现为活性向列系统，但瞬时流动和力主要由瞬时极性序主导。细胞的随机反转导致了强极性波动和牵引波动，非反转细胞比反转细胞产生更强的牵引波动。然而，目前还没有定量模型能够解释为什么 + 1/2 缺陷附近的牵引波动更强，-1/2 缺陷附近更弱，研究人员提出了细胞密度和各向异性摩擦等可能的影响因素。此外，现有活性向列模型在处理短时间波动时存在局限性，而本研究表明短时间波动对生物功能（如层形成）至关重要。
总的来说，这项研究揭示了粘细菌菌落中随机的局部极性序，它不仅导致细胞速度和机械应力的强烈波动，还触发了层的形成。这一发现为理解微生物群体行为提供了新的视角，也表明粘细菌可以通过调节细胞反转时间来控制内部机械应力和菌落形态，在营养充足时扩散，营养匮乏时聚集。未来，进一步研究微观模型有望深入解释相关现象，为多个领域的发展提供更多的理论支持。
