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在微生物研究领域，理解微生物在表面生长成膜的机制至关重要。为探究个体曲率对微生物群体生长的影响，研究人员构建理论模型展开研究。结果发现，曲率会减小菌落中有序域尺寸，引入新结构和耦合。这为微生物表面相互作用研究提供新视角，助力医疗和生物工程发展。
在奇妙的微观世界里，细菌和其他微生物无处不在，它们探索环境的方式多种多样，比如在表面滑行、在液体中游泳，或是通过个体生长推开邻居进行扩张。微生物在表面形成的生物膜（Biofilms），像在牙齿或假体上生长的那些，与我们的生活息息相关，在许多生命过程中扮演着重要角色，包括发病机制等。
然而，目前对于微生物在表面生长成膜的研究，大多集中在将微生物视为直的模型，如直的球圆柱体（spherocylinders）。但现实中，几乎没有一定长度的物体是完全直的，许多细菌本身就具有弯曲的形状，比如霍乱弧菌（Vibrio cholerae）和新月柄杆菌（Caulobacter crescentus）。此前的研究却很少考虑弯曲细胞以及曲率的作用，这就像是在探索微生物世界的地图上，留下了一块未被开垦的重要区域。
为了填补这一空白，来自国外的研究人员开展了一项深入的研究。他们致力于探究个体曲率对微生物群体生长的影响，构建了基于离散生长的介观弯曲物体的理论模型。在这个模型中，弯曲细胞被描述为具有一定半径和厚度的圆弧，细胞会随着时间增长，当弧长达到特定阈值时会分裂为两个。研究人员通过模拟和分析，得出了一系列重要结论。
研究结果表明，细胞曲率对菌落的结构有着显著影响。随着细胞曲率的增加，菌落中取向有序域（orientationally ordered domains）的平均尺寸会大幅减小。这意味着，细胞的弯曲使得菌落的有序程度降低，结构变得更加无序。同时，研究还发现了一种新的现象 —— 空间取向耦合（spatio - orientational coupling），即细胞的取向与它们在菌落中的位置存在关联，弯曲细胞倾向于围绕菌落中心呈同心排列。此外，在弯曲细胞组成的菌落中，还出现了堆叠弯曲细胞形成的分支丝状结构，这与直细胞菌落中较为分散的结构明显不同。
这些结论具有重要意义。一方面，它们为我们深入理解微生物在表面的相互作用和扩散提供了新的视角，让我们对微生物的生长行为有了更全面的认识；另一方面，在医疗和生物工程领域，这些发现也具有潜在的应用价值。例如，在开发特定的表面处理方式时，考虑微生物的曲率因素，可能会更有效地控制微生物的生长和传播。该研究成果发表在《Biophysical Journal》上。
在研究方法上，研究人员主要采用了理论建模和数值模拟的方法。他们基于之前对直微生物生长模型的研究，为直的球圆柱体添加曲率来描述弯曲微生物。在模拟过程中，设定细胞的生长速率服从均匀分布，通过赫兹弹性模型（Hertzian elastic model）来计算细胞间的相互作用力，并使用半隐式欧拉法（semi - implicit Euler method）求解运动方程，以此来模拟微生物的生长过程。
菌落生长导致的域结构特征
研究人员通过模拟微生物的生长过程，观察菌落中细胞数量的变化，发现其呈现出预期的指数增长。通过分析不同曲率和阈值分裂长度条件下的菌落结构，他们发现增加细胞曲率和减小阈值分裂长度会导致介观域的平均尺寸减小，即细胞的弯曲和较短的分裂长度会使菌落结构更加无序。通过计算平均域面积、分析域面积与菌落位置的关系以及域面积的概率分布，进一步证实了这一结论。
弯曲细胞菌落中的空间取向耦合
研究人员发现，弯曲细胞菌落中存在一种特殊现象，即细胞取向与位置的耦合。通过计算从菌落中心到细胞质心连线的角度与细胞自身取向角度的差值，并绘制直方图，发现随着细胞曲率增加，在特定角度差值附近出现了明显的峰值，表明存在空间取向耦合。通过拟合圆正态分布（circular normal distribution）来量化这种耦合程度，发现中间曲率时耦合最强，过高或过低的曲率都会使耦合程度降低。
弯曲细胞菌落中的特定子结构
弯曲细胞菌落的结构与直细胞菌落有明显差异。在弯曲细胞菌落中，会形成一些散射的环状结构，但并不占主导。更明显的是，出现了堆叠弯曲细胞的结构，这种结构在直细胞菌落中是不存在的。随着细胞曲率增加，菌落中会出现分支丝状结构，这是弯曲细胞堆叠排列的特征，与直细胞菌落中较为均匀、分散的结构形成鲜明对比。
研究结论和讨论部分强调，该研究首次关注由生长和分裂的弯曲微生物组成的菌落扩张的基本现象，聚焦体积排阻的一般效应。尽管研究存在一定局限性，但为后续研究指明了方向。未来可以从多个方面进行拓展，如考虑个体生长速度的机械调节、扩散过程、纵横比的多分散性、各向异性摩擦以及其他相互作用（如粘附力）等。此外，研究微生物从单层到多层结构的转变以及环境因素（如营养供应、底物机械性能）对微生物生长的影响也具有重要意义。这些研究将有助于我们更深入地理解微生物的生长行为，为相关领域的应用提供更坚实的理论基础。
