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香港中文大學（中大）物理系團隊帶領的研究發現一種全新的細菌群落自組織行為，挑戰了以往科學界認為細菌群落的長距離物質傳遞效率低的觀點。團隊發現，細菌群落會自行組織建立如運河般的液體通道「菌落運河」來進行長距離物質輸送，而「運河」更有助細菌清除競爭者。研究為合成生物技術在醫學及環境的應用提供新發展方向，亦有助進一步了解病菌的致病機制。有關研究結果已於學術期刊《eLife》發表。

從常見細菌中發現不尋常的「菌落運河」

多細胞生命系統，例如動物和植物，需要利用液體通道來進行長距離物質遞送，以維持生理活動。過往科學界認為，微生物是靠分子擴散來遞送物質，而這種方法大多只能作短距離，其在長距離的遞送效率很低。不過，中大物理系教授吳藝林教授聯同是次論文共同第一作者、物理系博士研究生酈野及劉士奇的研究，卻發現微生物如細菌群落，能像動物般自組織液體通道來進行長距離物質遞送。

中大團隊從常見的綠膿杆菌（又稱銅綠假單胞菌，Pseudomonas aeruginosa）中發現這個全新的細菌群落自組織行為。綠膿杆菌廣泛存在於自然界，常見於傷口感染。團隊發現，當綠膿杆菌在固體表面形成菌落時，菌落內部會自發產生多條數十至數百微米寬、長約數厘米的液體通道。在液體通道中，細胞個體和細胞外囊泡等物質以每秒450微米的高速從菌落中心向外遞送，比一般遊走速度快10倍。這些液體通道的形狀類似人工建造的運河，團隊稱之為「菌落運河」。

利用多尺度顯微成像、粒子追蹤以及物理建模等，中大團隊進一步解構出「菌落運河」的形成，主要靠表面張力和複雜流體的不穩定性來驅動。過程中，細菌會自主分泌出一種常見於清潔劑，可降低液體表面張力的物質—「表面活性劑」。菌落會與表面活性劑混合變成複雜流體，當表面活性劑從菌落中心向四周擴散時，菌落內部的表面張力小於菌落外部，菌落便被向外拉伸，形成一個個呈帶狀的液體區域；當區域穩定後便形成有多條支流和網絡的「菌落運河」。團隊亦建構了一個結合介面力學、物質遞送和細胞通訊的數學模型，以揭示菌落運河的流動速度分布和變化。

助清除超級惡菌 推動合成生物學研究

另外，團隊與深圳南方科技大學醫學院楊亮教授合作，證明了這種由細菌自組織建造的「菌落運河」能有助綠膿杆菌清除競爭者，例如會引致皮膚和軟組織感染的金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus），它具有耐受多種抗生素藥物的能力，被喻為超級惡菌。是次研究有助了解致病菌之間的競爭或共存關係，以及病菌的散播機制。

吳藝林教授表示﹕「這項研究揭示了生命物質中一種新穎的物理過程，亦表明了原始的生命形態可以利用表面張力來驅動大規模的物質遞送。研究結果將有助於設計具自組織功能的人工合成微生物群落，用於開發新型生物材料，促進生物工程、合成生物學的發展。」

中大團隊獲香港研究資助局、國家科技部及中大研究委員會支持開展是次研究。

研究論文全文請參閱﹕https://doi.org/10.7554/eLife.79780