代爾夫特理工大學（TU Delft）的研究人員發現，大腸桿菌可以同步運動，在看似隨機的生物系統中創造秩序。 透過將單一細菌困在微工程圓形空腔中，並透過狹窄的通道將這些空腔連接起來，研究小組觀察到了細菌的協調運動。他們的研究成果最近發表在《小分子》上，並有望應用於工程可控生物振盪器網路。

觀眾有節奏地鼓掌、螢火蟲齊聲閃光、椋鳥成群結隊–同步是一種在不同系統和規模中觀察到的自然現象。 克里斯蒂安-惠更斯（Christiaan Huygens）在17 世紀首次對同步現象進行了描述，他的擺鐘整齊劃一的擺動是同步現象的著名例證。 現在，代爾夫特理工大學的研究人員證明，即使是大腸桿菌–只有幾微米長的單細胞生物–也能顯示出同樣的現象。

機械工程學院副教授Farbod Alijani 說：”對我們團隊來說，這是一個非凡的時刻。看到細菌’同步起舞’不僅展示了自然之美，也加深了我們對最小生物體自組織的微觀起源的理解。

阿利賈尼的團隊與代爾夫特理工大學教授塞斯-德克爾（Cees Dekker）以及代爾夫特理工大學的衍生公司SoundCell 一起，透過使用精確設計的微腔，從大腸桿菌群中捕獲單一大腸桿菌細胞，實現了這一目標。 在這些圓形空腔內，細菌開始表現出類似擺鐘的旋轉運動。 研究人員用一個微小的通道連接其中的兩個空腔，觀察到一段時間後，兩種細菌開始同步運動。

微小的舞者科學家讓細菌同步運動。 圖片來源：代爾夫特理工大學

阿里賈尼解釋說：”這種同步發生的原因是耦合系統中細菌的運動引起的流體動力相互作用。研究小組對這種耦合強度進行了量化，發現細菌的協調運動符合普遍的同步數學規則。 “

這些發現前景廣闊，為設計能夠在細菌系統中誘導受控振盪和同步的微型工具鋪平了道路。 這種工具可以幫助科學家研究細菌在密閉環境中的運動和協調，從而更好地了解微生物的活性物質。

研究團隊目前正在探索更複雜的系統，將多個空腔耦合起來，形成同步細菌網絡。阿里賈尼補充說：”我們希望揭示這些網絡的行為方式，以及我們能否設計出更複雜的動態運動。”

雖然這項研究主要是基礎性的，但其潛在的應用範圍非常廣泛。這甚至可以為藥物篩選提供一種新方法，例如，在使用抗生素前後測量細菌運動引起的流體流動變化和力量。

這項研究的靈感來自早先的工作，阿里賈尼的團隊使用石墨烯鼓首次記錄了單一細菌的聲音。阿利賈尼說：”我們很好奇能否更進一步，從我們觀察到的混亂振盪中創造出秩序。 透過這項研究，他們已經從記錄單個細菌的配樂轉變成了編排它們的’探戈’。”

編譯自/ ScitechDaily