螺旋状细菌幽门螺杆菌很常见，也很麻烦。超过13%的美国人感染了幽门螺杆菌，尽管感染率因年龄、种族和社会经济地位而异。这种微生物利用它像开瓶器一样的尾巴在胃粘液等粘性液体中向前推进。当它到达胃壁的上皮细胞时，它会导致从溃疡到癌症的各种疾病。

在PhysicalReviewLetters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代码并开发感染的替代疗法，例如加强抵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，”该研究的合著者、化学与生物医学工程系副教授HadiMohammadigoushki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方案。”

3D模型在凝胶中游动的视频。图片来源：HadiMohammadigoushki

在实验中，该团队将细菌模型置于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得像固体，但在超过临界应力点时像液体一样流动。

然后他们使用磁场旋转3D模型，模仿微生物的行为。使用粒子追踪和成像技术，研究人员测量了细菌的速度，并可视化了它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，细菌就会留在凝胶中，”Mohammadigoushki说。“如果力足够大，它可以穿透凝胶。这有点像你在固体墙上钻螺丝。如果你的钻头不够强，你没有用足够的力推动螺丝，它就不会”虽不能穿墙，但用力适当，还是可以破的。”

本研究中使用定制的旋转霍尔姆霍兹线圈来激活螺旋游泳器。该装置以恒定角速度(Ω)旋转。绿色阴影区域显示游泳者周围分析的不同平面。图片来源：HadiMohammadigoushki

允许幽门螺杆菌移动的游泳动作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到的任何事情，”机械工程系助理教授KouroshShoele说。

Shoele是多学科研究团队的一员，是计算科学方面的专家。他解释了向自然学习如何从机械和生物系统中获得更好的反应。

KouroshShoele，机械工程助理教授，HadiMohammadigoushki，化学和生物医学工程副教授，FarshadNazarinasrabad，FAMU-FSU工程学院化学工程博士生。图片来源：MarkWallheiser/FAMU-FSU工程学院

“在未来，我们可以设计一种微型机器人，可以将药物输送到身体的特定位置，以对抗白血病和其他疾病，”Shoele说。“或者也许我们可以设计使用游泳运动和力量的微型机器人，比如幽门螺旋杆菌，它们可以深入沙子挖掘水或石油。可能性是无穷无尽的。”

FarshadNazari是FSU的化学和生物医学工程博士生，他正在与这两位研究人员合作，并且是这篇论文的主要作者。

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标签：细菌研究模型