解释纤毛在确保某些细菌被排除在生物体外的积极作用

想象一下一个俱乐部场景 - 天鹅绒绳子上的保镖选择哪些人进入俱乐部。南加州大学维特比工程学院机械工程教授伊娃·坎索(Eva Kanso)解释说，这是一种有机体中的纤毛。Kanso应用这个类比来解释她的新论文“Motile cilia为主动微生物组的主动募集创造流体机械微生境”，与夏威夷大学马诺阿分校太平洋生物科学研究中心和斯坦福大学的研究人员共同撰写，解释纤毛在确保某些细菌被排除在生物体外的积极作用，同时选择性地允许其他共生细菌进入。

该论文发表在“美国国家科学院院刊”上，描述了流体力学在生物体中释放共生细菌和增强共生体与宿主生物体之间化学通讯的作用的框架。结果与先前的研究相反，该研究假设纤毛仅发挥“清除功能”。它们可以揭示纤毛的作用 - 纤毛在人类呼吸系统甚至生殖系统和大脑中的大小都是人类头发中的百分之一。他们的研究结果还可以提供有关器官内纤毛功能障碍如何影响的见解，例如肺部疾病或不孕症(纤毛如何帮助精子到达卵子)。

要了解纤毛如何在人体中发挥作用，Kanso与共生专家McFall-Ngai和生物流体专家Janna Nawroth合作研究了短尾鱿鱼。研究人员研究了这些鱿鱼在其新生阶段如何允许共生细菌Vibrio Fischeri进入它们的纤毛光器官，这些器官在夜间捕食食物的过程中对隐藏半透明生物的墨袋起着至关重要的作用。学者们试图了解：为什么这种细菌可以进入，为什么所有细菌都不能在鱿鱼的光器官内积聚?此外，他们试图解释纤毛在允许进入方面的作用(如果有的话)?

Kanso和McFall-Ngai与主要作者，Emulate公司的首席研究员Janna Nawroth和南通大学Kanso实验室的博士生Hanliang Guo将鱿鱼放在显微镜下，然后将其暴露在含有Vibrio Fischeri细菌的水中。这个过程模仿了大自然中发生的事情：细菌最终落入了鱿鱼的光器官中的正确位置。为了确定纤毛在此过程中是被动还是活跃，研究人员需要了解细菌是否游入墨水袋或实际上是否受到鱿鱼宿主内其他结构和过程的帮助。然后研究人员重复了相同的实验，没有活细菌 - 但有颗粒与细菌大小相同，即直径为1微米。他们发现的是颗粒积聚在同一个地方 - 证明了宿主(鱿鱼)的物理机制在起作用。然后，第二阶段实验包括较大的颗粒(约4微米)。人们可能会认为较大的颗粒与光器官接触的可能性更大 - 但他们没有。这表明直接拦截不是粒子捕获的主要机制，而其他一些因素正在起作用。研究人员着手研究纤毛在过滤颗粒中产生的流体流动的作用。

经过进一步调查，Kanso和Nawroth发现纤毛产生的旋涡或“甜甜圈”流动正在踢掉大部分颗粒。使用由Kanso和Guo开发的基于物理的数学模型验证了流体运动在按尺寸过滤颗粒中的作用。Kanso描述了纤毛似乎扮演“机械门”的角色。

然后研究人员绘制出整个光器官的纤毛表面及其产生的流场。核心研究结果之一是两种不同类型的纤毛发生了两种截然不同的流动。较长的纤毛以“波浪状”的方式移动，形成一个旋转的流场，过滤颗粒，然后是较短的纤毛，随机地将颗粒保持在适当位置并轻轻混合局部流动。纤毛和液体混合的这种随机运动增强了细菌的化学筛选。为了进一步证明纤毛发挥的重要作用，研究人员还发现，如果纤毛被“杀死”，颗粒将在生物体的任何地方积聚。

Kanso和她的合作者正在开发一种微流体平台，用于测试Vibrio Fischeri对宿主纤毛光器官呈现的不同流动和化学信号的反应。该平台将用作研究工具，以研究每种信号在细菌向纤毛表面募集中的相对重要性。