PNAS：细菌“玻璃态”

东京大学的一项新研究表明，大肠杆菌与胶体玻璃有几个相似的特性。胶体是由悬浮在液体中的小颗粒组成的物质，比如墨水。当这些粒子的密度变大，聚集在一起时，它们就形成了“玻璃态”。当研究人员乘法时。在一个封闭的区域内，他们发现它们表现出相似的特征。更令人惊讶的是，它们还显示出一些在玻璃态材料中通常找不到的其他独特性质。这项研究有助于我们对玻璃“活性物质”的理解，这是一个相对较新的材料研究领域，跨越了物理学和生命科学。从长远来看，研究人员希望这些结果将有助于开发具有新功能的材料，以及帮助我们理解生物膜(微生物粘在一起形成表面层)和天然细菌菌落。

　　

根据东京大学的一项新研究，密集的大肠杆菌与胶体玻璃有几个相似的特性。胶体是由悬浮在液体中的小颗粒组成的物质，比如墨水。当这些粒子的密度变大，聚集在一起时，它们就形成了“玻璃态”。当研究人员在一个密闭区域内繁殖大肠杆菌时，他们发现它们表现出相似的特征。更令人惊讶的是，它们还显示出一些在玻璃态材料中通常找不到的其他独特性质。这项研究有助于我们对玻璃“活性物质”的理解，这是一个相对较新的材料研究领域，跨越了物理学和生命科学。从长远来看，研究人员希望这些结果将有助于开发具有新功能的材料，以及帮助我们理解生物膜(微生物粘在一起形成表面层)和天然细菌菌落。 

黄油、肥皂和墨水有什么共同之处?它们当然不都好吃，但它们都是各种胶体，由悬浮在液体中的颗粒组成的物质。当颗粒的浓度较低时，物质就会更像液体，当它很高时，它就会变得更像固体(想想一个干燥的墨水瓶)。当这种情况发生时，物质进入玻璃态，因此粒子的运动受到限制。然而，尽管它可能感觉很硬，但与其他固体不同，颗粒不是形成固定的图案，而是随机地混杂在一起。这与玻璃的分子结构相似。 

研究人员现在发现，大肠杆菌也有类似的行为。科学研究生院物理系的副教授Kazumasa Takeuchi说:“由于细菌与我们所知道的玻璃非常不同，玻璃材料的许多统计特性在细菌中是相同的，这令人惊讶。”“然而，对我们来说更大的惊喜是，深入的分析表明，它不仅与玻璃的标准特性相似，而且还具有其他特性。”我们的结果要求扩展我们目前对玻璃物理学的理解。” 

10多年前，Takeuchi在另一项研究中观察了细菌的行为，受到启发进行了这项实验。当时，他发现当一群细菌变得非常密集时，它会突然停止移动，他想知道为什么。 

主要的挑战是创造一个环境，在这个环境中，细菌可以同样茁壮成长并繁殖，形成一个密集的种群。为了实现这一目标，该团队使用了他们之前开发的一种设备，该设备使他们能够通过多孔膜将营养物质均匀地分配给所有细菌。然后，研究人员在显微镜下观察了5-6个小时。 

随着大肠杆菌数量的增加，它们被邻居关在笼子里，限制了它们自由游动的能力。随着时间的推移，它们转变为玻璃态。这种转变类似于玻璃的形成，正如研究人员注意到的那样，运动速度迅速放缓，笼状效应和动态异质性(分子在某些区域移动较远，但在其他区域几乎不移动)。 

这种细菌玻璃与其他类玻璃物质的不同之处在于“微域”的自发形成以及这些区域内细菌的集体运动。这些发生在杆状大肠杆菌群以同样的方式排列的地方。研究人员还惊讶地发现，细菌玻璃化(变成玻璃状)的方式显然违反了典型热系统的物理定律。我们通常所知的玻璃，包括胶体玻璃，被归类为热敏玻璃。然而，最近研究人员已经开始探索玻璃态，就像这篇论文中报道的那样，它不被认为是热玻璃，但具有许多相同的性质。 

Takeuchi解释说:“像我们在这里看到的‘自我推进粒子’的集合最近被认为是一种被称为活性物质的新材料，这是目前的热门话题，显示出巨大的潜力。”“我们对细菌玻璃的研究结果沿着这条研究路线，将这一概念扩展到玻璃材料领域。从长远来看，我们的研究结果可能有助于开发具有普通材料无法实现的某些功能的新材料。”

接下来，研究小组想要探索这种现象是如何在不同环境中与其他不同种类的细菌一起发生的。到目前为止，正在进行的研究表明，细胞可以以不同的方式挤在一起。Takeuchi说:“我们的研究结果表明，密集的细菌可以通过细胞密度的微小变化，在种群水平上急剧改变它们的移动性和机械性能。这些信息可以用来调节或控制未来密集细菌的形成。通过我们的工作，我们希望在统计物理学和生命科学之间建立更深更广泛的联系。”