代尔夫特理工大学的科学家们发现，大肠杆菌可以在工程微腔中同步运动，为研究和设计生物系统开辟了新的可能性。

代尔夫特理工大学的研究人员发现，大肠杆菌可以同步它们的运动，在看似随机的生物系统中创造秩序。通过将单个细菌捕获在微工程的圆形腔中，并通过狭窄的通道将这些腔连接起来，研究小组观察到细菌的协调运动。

他们的发现在工程可控生物振荡器网络方面具有潜在的应用，最近发表在《Small》杂志上。

观众有节奏地鼓掌，萤火虫齐声闪烁，成群的欧椋鸟像一个人一样移动 —— “同步”是在不同系统和尺度上观察到的自然现象。17世纪，克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）首次描述了同步，著名的例子是他的摆钟的对齐摆动。现在，代尔夫特理工大学的研究人员已经证明，即使是大肠杆菌 —— 只有几微米长的单细胞生物 —— 也能表现出同样的现象。

“这对我们的团队来说是一个非凡的时刻，”机械工程学院副教授Farbod Alijani说。“看到细菌‘同步跳舞’不仅展示了大自然的美丽，还加深了我们对最小生物体中自我组织的微观起源的理解。”

同步运动

Alijani的团队与代尔夫特理工大学的Cees Dekker教授以及代尔夫特理工大学的衍生公司SoundCell一起，通过使用精确设计的微腔来捕获大量大肠杆菌中的单个细胞，实现了这一目标。在这些圆形腔内，细菌开始表现出类似于摆钟的旋转运动。通过用一个小通道连接两个空腔，研究人员观察到，一段时间后，两种细菌开始同步运动。

“这种同步发生是因为耦合系统中细菌运动引起的流体动力学相互作用，”Alijani解释说。研究小组量化了这种耦合强度，发现细菌的协调运动遵循了同步的通用数学规则。

走向一个协调运动的网络

这一发现具有重大的前景，为设计能够在细菌系统中诱导可控振荡和同步的微型工具铺平了道路。这些工具可以帮助科学家研究细菌在密闭环境中的运动和协调，从而更好地了解微生物活性物质。

该团队现在正在探索更复杂的系统，通过耦合多个腔形成同步细菌网络。Alijani补充说：“我们想要揭示这些网络的行为方式，以及我们是否可以设计出更复杂的动态运动。”

药物筛选的可能性

虽然这项研究主要是基础研究，但其潜在的应用范围很广。Alijani建议：“这甚至可以为药物筛选提供一种新的方法，例如，通过测量使用抗生素前后细菌运动引起的流体流动变化和力。”

这项研究的灵感来自于早期的工作，Alijani的团队使用石墨烯鼓记录了第一次单个细菌的声音。Alijani说：“我们很好奇我们是否能更进一步，从我们观察到的混沌振荡中创造出秩序。通过这项研究，他们已经从记录单个细菌的原声到编排它们的“探戈”。

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