微流控技术揭示重力剪切应力对荧光假单胞菌运动及生物膜生长的调控机制

本研究通过微流控技术系统探究了重力与剪切应力对荧光假单胞菌SBW25运动行为及生物膜生长的协同作用。研究人员发现重力导致的细菌分布不对称性显著影响表面细胞密度和污染模式，同时揭示了机械应力通过调控细菌运动性（μ和P值）改变生物膜形态。该成果为空间站、医疗器械等密闭环境中生物膜控制策略提供了新见解，发表于《npj Biofilms and Microbiomes》。

　　

在太空站、医疗器械和工业管道等密闭环境中，生物膜污染一直是困扰科学界的难题。这些由微生物分泌的胞外聚合物（EPS）构成的凝胶状结构，不仅对抗生素和消毒剂表现出惊人抵抗力，还会引发设备腐蚀和系统故障。更棘手的是，在微重力环境下，生物膜的形成规律与地球环境存在显著差异，但其机制尚不明确。传统研究往往忽视流体剪切力和重力这两个关键力学因素的协同作用，而这正是密闭系统中生物膜生长的核心调控要素。

为解决这一科学盲区，来自意大利的研究团队在《npj Biofilms and Microbiomes》发表创新性研究。他们采用矩形截面微流控通道，以荧光假单胞菌SBW25（Pseudomonas fluorescens SBW25）为模式生物，通过对比通道顶部（重力使细菌远离表面）和底部（重力促进细菌贴附）的差异，首次量化了重力矢量与剪切应力对细菌运动性和生物膜形态的联合影响。

研究团队运用三项关键技术：1）多平面时间推移显微成像（5个z轴位点，0-400μm）追踪细菌空间分布；2）持久随机游走模型（PRW）量化运动参数（μ和P）；3）共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）结合活/死染色三维重建生物膜结构。实验涵盖6种剪切速率（0.4-30 s^-1），通过2小时静态培养和48小时动态流动模拟真实环境条件。

静止条件下细菌因重力呈现不对称分布
通过200帧图像平均法区分运动与非运动细菌，发现2小时后底部表面细菌密度（7.2×10⁴ cells/mm²）显著高于顶部（5.7×10⁴ cells/mm²）。这种不对称性完全由非运动细菌的沉降驱动，而运动细菌因边界层效应（L_z=29.1μm）在上下表面对称分布。

近壁区低扩散性主导细菌分布
基于力偶极子模型（推力f=1.1 pN），推导出近壁区z轴扩散系数D_z=0.57 μm²/s，比平行壁面运动系数低两个数量级。公式n(z)/n₀=exp[L_z(1/z+1/(H-z))]成功预测细菌在边界层的稳态分布。

重力导致上下壁面运动系数差异
PRW分析显示顶部壁面运动系数μ（最高达120 μm²/s）始终是底部（约60 μm²/s）的2倍。这种差异源于底部更高的细胞密度（>7×10⁴ cells/mm²）阻碍运动，而密度与μ呈负相关（R²>0.9）。流动方向（x轴）的μ随剪切速率增加，但正交方向（y轴）保持稳定。

生物膜生长呈现重力依赖性不对称
CLSM三维重建显示：低剪切应力（γ_w<1 s^-1）下形成单层细菌；中等应力（1-10 s^-1）促进"蘑菇状"结构；超高应力（30 s^-1）导致生物膜减少。关键发现是底部壁面生物量（最高达40 μm³/μm²）和覆盖率始终高于顶部，差异在γ_w=10 s^-1时最显著。

这项研究首次阐明重力通过改变细菌空间分布间接调控运动性，进而影响生物膜形态的级联机制。在理论上，修正了"运动性开关"假说的局限性，提出力学环境通过μ和P值调控生物膜发展的新框架；在应用上，为空间站水循环系统、医用导管等设备的抗生物膜设计提供量化依据。特别值得注意的是，研究发现即使对运动细菌，重力仍会通过改变局部细胞密度影响群体行为，这对理解微重力环境下生物膜异常生长具有启示意义。未来研究可拓展至多菌种体系，并探索机械应力-基因表达的通路关联。