Angew. Chem.：像细菌一样的集群趋化胶体马达

在自然界中，细菌为了更好地生存，会感应环境中的化学梯度（比如葡萄糖浓度），并通过控制鞭毛等运动器官的运动，实现对这些化合物的靠近或者远离，这种运动行为就是趋化。细菌的趋化性能够帮助它们适应变化的环境，获得有限的营养并在生态系统中占据有利生存环境。在趋化过程中，细菌的运动模式包括平动和转动两种模式，细菌向任意方向移动单位定义为转动，细菌沿同一方向移动为平动。更有趣的是，研究发现，当细菌密度较高时，它们会通过流体力学和排斥体积相互作用形成长程有序的集群，展现典型的非平衡态物理特征，如集体运动、运动诱导相分离、动态图案化、巨数涨落及反常的流变性能等。虽然对集群行为的探索已取得了许多重要进展，但是迄今仍然没有完全揭示不同时空尺度集群行为产生的共性规律和普适机制；在人工智能、生命科学、材料科学等领域的应用研究也处于刚刚起步阶段。

胶体马达是指能够将周围环境所存储的化学能或其它形式的能量转化为自推进运动的胶体粒子，亦称活性胶体或游动微纳米机器。相对于易受复杂实验条件影响的天然细菌，胶体马达具有结构简单、易于调控、种类多样等优点，同时因其自推进运动能力和马达间可控的局域场相互作用，表现出更加丰富的集群行为，成为了研究集群行为的理想模型体系。

最近，哈尔滨工业大学的贺强教授（点击查看介绍）研究团队构筑了一种具有仿细菌集群趋化行为的葡萄糖驱动聚合物分子刷胶体马达。该马达以胶体金为主体，一侧通过化学交联法修饰葡萄糖氧化酶，另一侧借助原子转移聚合法，将长度可控的聚合物分子刷接枝到胶体马达表面。在含有葡萄糖作为燃料的环境中，该马达像细菌一样通过分解葡萄糖作为能量来源，以每秒高于自身体长120倍的速度前进。马达表面类似细菌鞭毛结构的聚合物分子刷增强了平移运动，进而提高了运动效率。更重要的是，在系统中任意位置放置葡萄糖源时，这些胶体马达像细菌一样表现出沿葡萄糖源梯度的集群趋向运动，这种集群趋向现象甚至可以在宏观下观察到。当胶体马达在环境中密度超过阈值时，体系展现出明显的巨数涨落。这种仿细菌的集群趋向运动行为不但可帮助人们理解和调控活性物质，拓展对生命系统中自组织行为的认识，也有望成为实现如精准医疗等生物医学等方面的新手段。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者为博士研究生纪禹行。

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Macroscale Chemotaxis from a Swarm of Bacteria-Mimicking Nanoswimmers

Yuxing Ji, Xiankun Lin, Zhiguang Wu, Yingjie Wu, Wei Gao, Qiang He

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201907733

导师介绍

贺强

https://www.x-mol.com/university/faculty/46676

（本稿件来自Wiley）