图为直径9厘米的绿脓杆菌菌落自主构建的运河网路。深色带状为运河，运河中的流体以每秒数百微米的速度定向流动。

绿脓杆菌利用运河有效地清除竞争者金黄色葡萄球菌菌落。位于运河的金黄色葡萄球菌菌落（实线圆圈内的绿色萤光蛋白标记）在一小时内被清除殆尽，而运河外部的金黄色葡萄球菌菌落（虚线圆圈内）在遇上绿脓杆菌一小时后仍保留了约一半的生物量。

香港中文大学（中大）物理系团队带领的研究发现一种全新的细菌群落自组织行为，挑战了以往科学界认为细菌群落的长距离物质传递效率低的观点。团队发现，细菌群落会自行组织建立如运河般的液体通道「菌落运河」来进行长距离物质输送，而「运河」更有助细菌清除竞争者。研究为合成生物技术在医学及环境的应用提供新发展方向，亦有助进一步了解病菌的致病机制。有关研究结果已于学术期刊《eLife》发表。

从常见细菌中发现不寻常的「菌落运河」

多细胞生命系统，例如动物和植物，需要利用液体通道来进行长距离物质递送，以维持生理活动。过往科学界认为，微生物是靠分子扩散来递送物质，而这种方法大多只能作短距离，其在长距离的递送效率很低。不过，中大物理系教授吴艺林教授联同是次论文共同第一作者、物理系博士研究生郦野及刘士奇的研究，却发现微生物如细菌群落，能像动物般自组织液体通道来进行长距离物质递送。

中大团队从常见的绿脓杆菌（又称铜绿假单胞菌，Pseudomonas aeruginosa）中发现这个全新的细菌群落自组织行为。绿脓杆菌广泛存在于自然界，常见于伤口感染。团队发现，当绿脓杆菌在固体表面形成菌落时，菌落内部会自发产生多条数十至数百微米宽、长约数厘米的液体通道。在液体通道中，细胞个体和细胞外囊泡等物质以每秒450微米的高速从菌落中心向外递送，比一般游走速度快10倍。这些液体通道的形状类似人工建造的运河，团队称之为「菌落运河」。

利用多尺度显微成像、粒子追踪以及物理建模等，中大团队进一步解构出「菌落运河」的形成，主要靠表面张力和复杂流体的不稳定性来驱动。过程中，细菌会自主分泌出一种常见于清洁剂，可降低液体表面张力的物质—「表面活性剂」。菌落会与表面活性剂混合变成复杂流体，当表面活性剂从菌落中心向四周扩散时，菌落内部的表面张力小于菌落外部，菌落便被向外拉伸，形成一个个呈带状的液体区域；当区域稳定后便形成有多条支流和网络的「菌落运河」。团队亦建构了一个结合介面力学、物质递送和细胞通讯的数学模型，以揭示菌落运河的流动速度分布和变化。

助清除超级恶菌 推动合成生物学研究

另外，团队与深圳南方科技大学医学院杨亮教授合作，证明了这种由细菌自组织建造的「菌落运河」能有助绿脓杆菌清除竞争者，例如会引致皮肤和软组织感染的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus），它具有耐受多种抗生素药物的能力，被喻为超级恶菌。是次研究有助了解致病菌之间的竞争或共存关系，以及病菌的散播机制。

吴艺林教授表示﹕「这项研究揭示了生命物质中一种新颖的物理过程，亦表明了原始的生命形态可以利用表面张力来驱动大规模的物质递送。研究结果将有助于设计具自组织功能的人工合成微生物群落，用于开发新型生物材料，促进生物工程、合成生物学的发展。」

中大团队获香港研究资助局、国家科技部及中大研究委员会支持开展是次研究。

研究论文全文请参阅﹕ https://doi.org/10.7554/eLife.79780

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。