鞭毛驱动运动通过改变细胞取向增强铜绿假单胞菌生物膜形成

这篇研究揭示了铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）鞭毛驱动运动通过调控细胞取向（wall-normal angle θy）增强生物膜（biofilm）形成的机制。实验表明，在低剪切应力（τ < 12 mPa）下，运动型野生株（WT）通过主动调整取向（θy ≈30°–60°）靠近侧壁，使生物膜密度提升10倍，而非运动突变体（ΔfliC/ΔmotAB motCD）则沿流线分布（θy ≈75°–90°）。研究首次量化了剪切应力（而非剪切速率）对细胞取向的调控作用，并建立非维度参数u* = (μ/μw)(u/vs)统一预测模型，为生物膜防控提供了新靶点。

　　

鞭毛驱动运动增强生物膜形成

铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）作为常见病原体，其生物膜形成能力与鞭毛（flagellum）驱动的运动性密切相关。通过微流控（microfluidic）实验结合高速显微成像，研究发现野生型（WT）菌株在低剪切应力（12 mPa）下可形成厚度达10 μm的生物膜，而鞭毛缺失突变体（ΔfliC）或鞭毛不动突变体（ΔmotAB motCD）仅能稀疏附着。值得注意的是，IV型菌毛（type IV pili）缺失株（ΔpilA）仍能形成类似WT的生物膜，表明鞭毛运动（而非表面黏附）是早期生物膜建立的关键。

运动细胞主动趋向表面

高速追踪显示，WT细胞通过调整长轴与侧壁的夹角（θ_y）实现主动趋壁行为：在12 mPa剪切应力下，WT细胞的θ_y集中分布于0°–30°，而ΔfliC突变体则倾向于75°–90°的流线对齐。这种取向差异直接影响了细胞进入“生物膜形成区”（局部流速u < 游泳速度v_s）的成功率——WT细胞到达率为16%，显著高于ΔfliC的8%。当剪切应力升至120 mPa时，两种细胞的取向趋同，生物膜形成被抑制。

剪切应力（而非剪切速率）主导细胞取向

通过添加Ficoll调节流体粘度（1.5–11.7 mPa·s）的实验发现，在固定剪切速率（10 s^?1）下，生物膜密度随粘度增加而降低90%，证实剪切应力（τ = ηγ?）是调控取向的核心参数。WT细胞的游泳速度（v_s）随粘度升高而下降7倍，进一步验证了力平衡机制。数据拟合表明，细胞取向与无量纲参数u* = (μ/μ_w)(u/v_s)呈对数关系（y = 18log₁₀x + 50），为预测不同流动条件下的生物膜发育提供了量化框架。

运动性赋予竞争优势

在WT（GFP标记）与ΔfliC（mCherry标记）的共培养实验中，15小时后生物膜几乎全由运动细胞组成。这种竞争优势源于运动细胞突破流线限制的能力：在12 mPa剪切应力下，运动细胞通过维持较小θ_y角（30°–60°）持续向低流速区迁移，而ΔfliC细胞因被动随流（θ_y ≈80°–90°）难以富集。

讨论与意义

研究排除了趋化性（chemotaxis）和IV型菌毛的主导作用——在气体不可渗透的环烯烃共聚物（cyclic olefin copolymer）通道中，WT仍表现出趋壁行为。剪切应力梯度产生的扭矩被推测为驱动细胞取向的物理机制：低τ下鞭毛动力可克服流体扭矩，而高τ（>120 mPa）则抑制此过程。该发现为医疗设备抗生物膜设计（如调控表面剪切应力）和抗菌策略（靶向鞭毛运动）提供了理论依据。实验采用标准化M9培养基（含1 wt.% D-葡萄糖）和20×共聚焦显微镜（横向分辨率0.3 μm），确保数据可比性。