登PNAS！细菌“抱团”更省力？生物型光镊随机能量学揭示协同群聚的主动耗散机制
发布日期：2026-05-27
鞭毛驱动的微生物运动是生命系统高效能量转换的典型代表，其旋转马达可将代谢能精准转化为运动能，是生物学中最复杂的分子机器之一。尽管鞭毛运动的生化基础已得到充分研究，但细菌群聚集体运动的能量成本、力学耗散与热力学效率长期依赖间接方法估算，单细胞轨迹有限、多细胞轨迹平均化易掩盖介观尺度关键细节，活体集体运动的直接定量测量仍是领域难题。
针对这一核心瓶颈，西班牙Impetux公司研发推出的SENSOCELL生物型光镊凭借光子动量直接测力、亚皮牛级力灵敏度、千赫兹级采样率、无需预设介观模型与线性力‑位移假设等特有优势可精准捕获非平衡稳态下实时随机功涨落，直接量化细菌群聚主动机械耗散，为活体微生物集体运动力学研究提供革命性定量工具。西班牙马德里康普顿斯大学 Francisco Monroy 团队依托该设备，联合高分辨率多粒子追踪（MPT）技术，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表突破性成果，创新型的从随机能量学视角揭示细菌 “抱团” 运动的省力高效机制。
SENSOCELL 生物型光镊可在不依赖特定介观位移模型的前提下直接测量捕获物受力，结合多粒子追踪（MPT）技术，精确量化光阱限制环境下运动做功；与随机粗粒化相空间（CGPS）框架联用，可在热噪声背景中直接解析鞭毛驱动群聚运动，突破传统方法无法直接测量集体运动能量学的局限。
SENSOCELL 生物型光镊
研究团队以奇异变形杆菌为研究对象，该菌具有超卓的运动能力，在液体培养基中可高效游动，每株细菌带有 4 至 10 根鞭毛。在黏性凝胶中，其自由游动受到抑制，从而促进受限环境下的群聚运动；而在固体表面上，细胞会伸长、过度鞭毛化并进行集体迁移。鞭毛力学决定单细胞的能量学特征，而集体运动则涉及隐藏的内部自由度以及为响应机械信号而调节的代谢协同性。
研究结果提供了一个力学框架，用于将细菌群聚理解为通过集体能量流调控的非平衡稳态（NESS）：通过光镊与MPT技术获得力与位移数据（图1），利用粗粒化相空间（CGPS）追踪轨迹，并通过力-速度相关性（3）证实细菌群聚表现出非平衡稳态行为。熵产率与累积功的计算（图5）进一步量化了这种能量流。
图1在光镊单光阱中通过高分辨率多粒子追踪测量细菌群聚运动
图2 细菌捕获后光子动量力的测量
利用光学限制与粗粒化相空间（CGPS）分析，研究人员解析了活的奇异变形杆菌群聚体中保守捕获力如何与主动的、时间相关的涨落相互作用。图2比较了活的与死的单个细胞及群聚体的随机力行为。与单细胞（无论死活）相比，活的群聚体表现出显著更高的F0力的分布取决于运动状态：活的群聚体产生的涨落远强于被动或死的样本。力随群聚体尺寸增大而呈现协同增强规律，研究团队使用希尔函数对其进行了建模（图2B）。
图3 CGPS涨落力
在主动纳维-斯托克斯（NS）框架内，将力场分解为梯度分量和无散度分量，揭示了两种互补的功率分配模式：主导被动响应的保守流，以及鞭毛动力冲程期间由润滑介导的自相互作用产生的耗散涡流（图3A、B）。力对力的时间相关性分析中，均方力涨落（MSF）与互相关函数（CCF）（图3C、D）成功区分了短时热涨落与慢速主动群聚涨落。
研究团队通过光阱中的实空间轨迹评估了活的与死的细菌群聚体之间的运动学差异（图1），并结合多粒子追踪（MPT）的快速视频显微技术，根据光密度变化估算速度r˙(t)=r/t，测量了实空间位移。图4A展示了径向位移的时间序列：活的群聚体表现出振荡性主动运动（图4A上），而死的群聚体仅呈现被动涨落（图4A下）。图4B显示了极坐标位移轨迹(t)=[r(t),(t)] ，表现出交替的枢轴式振荡。这种反对称运动揭示了旋转结构，因此群聚体保持非零涡度（图4A左），与各向同性、无涡度的死群聚体（图4A右）形成鲜明对比。
图4 光阱中的实空间群聚体位移
研究人员分析了不同延迟时间下的均方位移（MSD），发现活的群聚体比死的群聚体高出一个数量级的扩散系数（图4C）。将温度升高至生理水平（37°C）会减弱光阱限制，导致更大的群聚体位移和更长的弛豫时间。
通过量化沿轨迹的运动做功可以表征能量流。活性群簇产生的爆发持续时间S≈(200至600)ms，做功幅度从几个到几十个kBT不等，明显超过平衡值⟨d¯Weq⟩≈kBT，而死群簇则保持在零附近(图5A)。如图5B所示，被动群簇既没有表现出平移爆发，也没有表现出旋转爆发(图5B)。各向同性的发散爆发和各向异性的涡旋卷曲共同支持了振荡性的鞭毛拔河运动(图3和4)。
图5从奇异变形杆菌群簇的质心运动测量的群簇能量
为了量化受限细菌如何利用能量，研究人员测量了它们抵抗光阱所做的累积功，区分了保守的捕获功与耗散的群聚功。在被动群聚体中，限制仅受到各向同性摩擦的抵抗，确保了捕获功与摩擦损耗之间的平衡。相比之下，活性群聚体表现出随时间变化的偏斜摩擦，由于群聚增益超过了有效摩擦损耗，其表现优于被动情况。只有活的群聚体产生显著的旋转功，而死的群聚体保持不活跃（图5C）。
图5D显示了不同条件下计算出的运动功率。活的群聚体以PS=(1.3±0.2)×105kBT/s≈0.52fW的速率运行，与主动扩散估计值一致。相比之下，死的群聚体运动功率极低，Pdead≈3.2×103kBT/s。作为参考，单个细菌的运动功率为P1≈0.34fW，而由 10 个细胞组成的非协同聚集体的功率PUC=NP1≈3.4fW>>PS。这一不等式(PS 在这项研究中，研究人员将活的奇异变形杆菌群聚体限制在光镊中，并利用 Impetux SENSOCELL 生物型光镊力学检测和高分辨率多粒子追踪（MPT）技术对其运动进行了量化。被捕获的群聚体表现出协调的涡旋状运动——宛如蜂巢中的蜂群，这与活性布朗动力学一致。基于平稳的非平衡稳态（NESS）轨迹，可通过质心位移和光学力计算运动所做的功。这一随机能量学框架揭示了内部耗散如何维持集体推进以对抗光镊捕获，从而阐明了在波动环境中调控鞭毛协同作用热力学效率的功率-摩擦不平衡状态。 西班牙Impetux公司推出的生物型光镊SENSOCELL，采用光子动量力检测技术，解决了传统光镊校准繁琐、通量低、无法进行细胞内部力学测量的难题。SENSOCELL通过高度聚焦激光束产生的力来操控细胞内或者细胞外的微粒，并且结合力学检测系统和成像系统（如普通明场显微镜、共聚焦显微镜、超分辨显微镜），可以直观地对细胞或者组织进行分子层面的力学测量，广泛应用于细胞生物力学的研究，如：细胞膜动力学、细胞与细胞相互作用、细胞骨架、细胞硬度、单分子动力学等。 SENSOCELL 光镊系统核心优势： 免校准即插即用：无需繁琐标定流程，开机即可开展测力实验，新手也能快速上手，大幅降低科研准入门槛； 飞牛级超高精度：力学分辨率高达 50fN，定位精度＜1nm，可精准捕捉细胞微小力学变化，为实验数据提供可靠保障； 多光阱同步操控：支持高达 256 个光阱同步操作，可自定义轨迹、振荡、拖拽等动作，实验自由度极高，满足复杂实验设计需求； 原位测量能力突出：不仅适用于细胞、细胞核、囊泡等内源结构，还能深入组织内部开展力学检测，真正实现活细胞与组织的原位测量； 力学检测-成像一体化：系统支持宽场，共聚焦等不同成像技术，可以实现原位的力学检测-荧光成像； 自动化软件赋能：LightAce 软件基于 ImageJ、μ-Manager 开发，界面友好且支持自定义实验流程，可显著提升科研效率。 参考文献： [1]. Luque-Rioja, C., López-Menéndez, H., Calero, M., Caselli, N., Herráez-Aguilar, D., Villaluenga, J. P. G., & Monroy, F. (2026). Stochastic motility energetics reveals cooperative bacterial swarming in optical tweezers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 123(3), e2515129123.
