通过3D建模研究细菌运动

超过13%的美国人患有幽门螺杆菌感染，尽管发病率因年龄，种族和社会经济地位而异。微生物利用其开瓶器状的尾巴通过粘稠的液体(如胃粘液)向前推进。当它到达胃壁上皮时，它会导致从溃疡到癌症的一切。

在《物理评论快报》发表的一项新研究中，FAMU-FSU工程学院的研究人员创建了这种细菌的3D模型，以更好地了解其运动，希望破解控制生物体运动的密码并开发感染的替代疗法，例如加强对抗细菌的胃粘液屏障。

“世界各地的人们都用抗生素治疗溃疡，因为抗生素可以杀死细菌，但这是一把双刃剑，”该研究的共同作者，化学与生物医学工程系副教授Hadi Mohammadigoushki说。

“如果我们了解这些细菌是如何移动的，我们就可以努力提供其他治疗解决方案。

在实验中，研究小组将细菌模型放置在高粘度聚合物凝胶中，这是所谓的屈服应力流体的一个例子。这些流体在小应力下表现为固体，但像液体一样流动超过临界应力点。

然后他们使用磁场来旋转3D模型，模仿微生物的行为。使用粒子跟踪和成像技术，研究人员测量了细菌的速度，并可视化了在其周围流动的流体的分布和密度。

研究人员确定了细菌必须克服的两个关键阈值：旋转游泳模型所需的扭矩和推动模型前进所需的力。

“我们发现，如果尾部推进力太弱，细菌就会卡在凝胶中，”Mohammadigoushki说。

“如果力足够强，它可以穿透凝胶。这有点像你在实心墙上钻螺丝。如果你的钻头不够坚固，你没有用足够的力推动螺钉，它就不会穿透墙壁，但只要用适当的力，它就会突破。

允许幽门螺杆菌移动的游泳运动和力也适用于较大的物体，例如在土壤中挖洞的蚯蚓，各种寄生虫等。

“如果我们了解细菌如何成功地攻击我们的身体，我们就可以将这些信息用于我们能想象的任何事情，”机械工程系助理教授Kourosh Shoele说。

Shoele是多学科研究团队的一员，是计算科学方面的专家。他解释了如何从自然中学习可以从机械和生物系统获得更好的反应。

“在未来，我们可以设计一个微型机器人，可以将药物输送到身体的特定位置，对抗白血病和其他疾病，”Shoele说。“或者，我们可以设计出利用游泳运动和力量的微型机器人，比如幽门螺杆菌，它可以在沙子里深入挖掘水或油。可能性是无穷无尽的。

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