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二零一七年一月二十四日

中大生物物理學家首次在細菌中發現新的集體運動規律
為生物醫學及活性物質提供嶄新研究方向



由香港中文大學(中大)的生物物理學者領導的國際研究小組最近發現了生物學上一種全新集體振盪規律,而該規律並不需要由自身振動的細胞之間建立長距離聯繫而產生,與學術界一直理解的集體振盪現象截然不同。該項新發現剛於國際科學期刊《自然》發表,有望為生物醫學研究及活性物質的跨學科研究提供嶄新方向。

該研究小組由中大博士研究生劉松陳崇、物理系助理教授吳藝林、法國原子能總署薩克雷研究中心(CEA-Saclay)教授Hugues Chaté以及蘇州大學物理系副教授施夏清組成。中大研究團隊於細菌懸浮液中發現,當成千上萬個細菌處於高度密集狀態時,每個細菌看似雜亂無章地運動,內裡卻潛藏著高度有序的集體振盪規律。這種現象為學術界首次在實驗中觀察到隨機運動的「弱同步」現象,展示了多細胞生物系統中嶄新的集體振盪模式。由Hugues Chaté教授及施夏清教授開發的數學模型,配合中大研究團隊的實驗結果顯示,有關的現象可能源於細菌間的局部性相互作用,引發起名為「自發對稱性破缺(symmetry breaking)」的物理現象。

這項發現擴展了科學家對於生物體系中自組織現象的認識。周期性集體振盪現象廣泛存在於自然界中,並且在胚胎發育、器官生長和神經網絡信號同步等許多生物過程中起到重要的作用。過往學術界研究生物體系中的集體振盪需要在自身具有振盪行為的細胞個體之間建立長距離的相互作用(long range coupling)。與之截然不同,此項研究中發現的周期性集體振盪現象並不需要長程相互作用;更重要的是,這一現象中細菌個體行為本身並不存在任何周期性,然而將大量無規則但微弱耦合(weakly-coupled)的單個細菌軌跡統計平均之後,周期性就會浮現出來。換言之,這一現象隱藏在單個細菌的隨機行為之中,因而長久以來被人們忽視。細菌在自然界或動物體內通常以微生物膜(Biofilm)的形式生存,此項研究所揭示的週期性集體振盪機制可能影響微生物膜的形成過程和結構。研究團隊也期望未來於其他多細胞生長過程中亦找到這獨特的振動規律,以進一步了解細胞組織生長的機制,促進生物醫學的研究。

此研究除了有助微生物學和生物醫學上的發展,亦為活性物質提供嶄新的跨學科研究方向。關於活性物質的研究是一個快速發展中的跨學科,它研究任何可以利用能量來產生主動運動的物質系統,包括從細胞到動物的所有生命體,由分子馬達(molecular motor)驅動的亞細胞組分(subcellular constituents),以及由自驅動單元(self-organization of active elements)組裝而成的合成材料;這些系統中蘊含的自組織原理可以應用於再生醫學、仿生材料和自驅動微納米器件等領域。此項研究所發現的周期性集體振盪是首次在實驗中觀察到隨機運動的「弱同步」現象,這一發現將增進人們對非平衡物理系統(non-equilibrium systems)自組織過程的理解。此研究發現個體之間的局域相互作用產生群體「弱同步」行為機制,促進非中心集群控制策略可應用於智能機器設計中,即令機器之間只需作個別交流而不需中央控制,有助提升這些機器的效率。

(右起)中大物理系生物物理研究團隊:博士研究生劉松、左文龍、酈野和吳藝林教授。
(右起)中大物理系生物物理研究團隊:博士研究生劉松、左文龍、酈野和吳藝林教授。

大量細菌雜亂無章的運動之中潛藏著高度周期性。
大量細菌雜亂無章的運動之中潛藏著高度周期性。