酵母菌落周围动态流体层介导铜绿假单胞菌扩散的物理机制研究

本研究揭示了在水分受限条件下，非运动性酵母菌落（Cryptococcus neoformans）通过形成动态流体层，显著促进铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的扩散。研究人员通过荧光标记实验和物理建模，发现该现象由局部流体环境改变驱动，而非化学信号介导。这一发现为理解微生物群落的物理互作机制提供了新视角，对生态学和医学领域具有重要意义。

　　

在自然界中，微生物的生存与扩散往往依赖于复杂的相互作用。传统研究多聚焦于化学信号介导的互作，而物理因素的作用常被忽视。水分受限环境下的微生物扩散机制尤其值得关注，因为这种条件普遍存在于土壤、生物膜和宿主组织等实际生态位中。铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, PA）作为一种具有运动能力的致病菌，其扩散行为对感染过程和生态竞争至关重要。与此同时，非运动性酵母菌如新型隐球菌（Cryptococcus neoformans）常与PA共存，但二者间的物理互作机制尚未阐明。

为探究这一问题，印度科学研究所的研究人员开展了一项创新性研究，成果发表在《Biophysical Journal》上。研究团队通过荧光标记技术（GFP标记PA14和RFP标记H99α）、基因缺失株（ΔpilA和ΔfliC）比较以及物理微环境建模，系统分析了酵母菌落对PA扩散的影响。

主要技术方法
实验采用组成型表达荧光蛋白的PA14-GFP和H99α-RFP菌株，在脑心浸液（BHI）琼脂平板上构建共培养体系。通过延时显微成像定量细菌扩散面积，结合缺失株（鞭毛缺陷型ΔfliC和菌毛缺陷型ΔpilA）验证运动性依赖机制。物理建模分析了酵母生长导致的流体层动态变化。

研究结果

1. Bacterial colony spreads faster in a yeast lawn
   在酵母菌苔上，PA14的扩散面积较单独培养时增加2.3倍。ΔfliC（缺乏鞭毛运动能力）菌株的扩散未受酵母影响，证实该现象依赖细菌的游泳运动（swimming motility）。

2. Dynamic fluid layer mediates motility enhancement
   共聚焦显微镜显示，酵母菌落周围形成约10-15 μm厚的动态流体层，其厚度与酵母生长速率正相关。该流体层为PA14提供了游泳所需的液相环境，而干燥区域细菌仅能通过表面蠕动（twitching）缓慢移动。

3. Growth rate ratio determines spreading efficiency
   当酵母与细菌的生长速率比（μ_yeast
   /μ_PA
   ）处于1.2-1.8时，细菌扩散效率最高。过高或过低的比值会因流体层过早消失或未充分形成而抑制扩散。

结论与意义
该研究首次揭示了微生物互作中的"物理共生"机制：酵母通过代谢活动改变周围微环境的物理特性（流体层形成），间接促进运动性细菌的扩散。这一发现突破了传统化学信号理论的局限，为理解多微生物群落的组装规律提供了新范式。在医学层面，阐释了条件致病菌（如PA）如何利用共生真菌的物理修饰增强组织侵袭能力，为混合感染防控提供了新思路。研究强调在微生物生态学中，物理因素应与化学因素同等重视，这一观点对土壤修复、生物膜工程等应用领域具有启示意义。

（注：所有菌株名称保留原文格式，如H99^α
、PA14ΔpilA等；专业术语首次出现时标注英文，如游泳运动/swimming motility）