學術探奇

雜亂見真章

吳藝林揭細胞集體活動

吳藝林教授發現細菌看來不是隨處移動

吳藝林教授說,透過顯微鏡觀看培養碟上的細菌,就像觀賞電影一樣,是一大樂事。

他身為微生物學家和生物物理學家,已看過該電影無數遍,原以為劇情早已了然於心。

吳教授用顯微鏡聚焦觀察每個細胞時,細菌看來不過隨處移動。但他逐漸發覺,背後另有奧秘。

在沒對準焦點的顯微鏡下,吳教授開始發現一個模式。從整體的角度來說,細菌的活動並非雜亂無章,而是彼此配合移動,以大致相同的速度、可預測的路徑,沿橢圓形軌跡振動。

吳教授恍然大悟,眼前是科學史上前所未見之事。這位物理系教授回想當時的反應:「嘩!大門突然敞開。」

影像離焦,反而把每個細胞活動的雜訊消除了,進一步還原真相,原本隱藏的有序活動逐步浮現。

吳教授發現,整體而言細菌是彼此配合移動,以相若的速度、可預測的路徑,沿橢圓形軌跡振動

吳教授和博士生陳崇運用物理追蹤器和影像處理技巧,把隱藏的活動模式呈現出來,力證細菌之間相互作用,形成群體軌跡,以約莫一致的模式集體振盪。

研究結果前年已於權威科學期刊《自然》發表。證實這個驚人發現後,下一步便要找出背後原委。

細菌的振盪源於兩方面,首先細菌會互相碰撞,連成一線,然後朝相若方向移動。此外,每株細菌都有鞭毛,形如螺旋槳的尾巴,轉動時會攪動四周液體,推動鄰近細菌朝某一方向移動或改變其速度。

在胚胎形成和器官生長等過程中,也有其他集體振盪行為,但只是個體細菌沿可預測的路徑移動所引起。

相反,吳教授發現的集體振盪是全新機制,不用倚賴細胞自身振盪行為,而是由大量細胞之間的微弱相互作用引起。在細胞個體的層面而論,它們是不規則移動。

正因為這些細胞之間的相互作用十分微弱,所以一直不為人知。吳教授團隊在其培養碟上發現的振盪模式,可套用於更大細胞群,明白這個細胞共通的活動模式,便可確認生物醫學研究的一大見解。

吳教授相信,新發現的活動模式,對研究細菌生物膜的形成過程和結構有深遠影響。大量細菌活在生物膜內,而生物膜是依附於生物表面的群落,對生態學和人類健康有舉足輕重的作用。

這些生物膜於氣管等位置存在,當大量細菌聚集,便會對抗生素產生抗藥性。當科學家明白生物膜振盪的過程,便可影響其發展和結構。

例如,癌細胞發展最危險的階段便是其分裂擴散至身體其他部位。了解癌細胞不同階段的動向和行為,有助找出相應治療方法。

吳教授相信,新發現的活動模式,對研究細菌生物膜的形成過程和結構有深遠影響

若能改變生物膜的特性,或可改變振盪週期。吳教授現正研究這些可能性,以及觀察菌落有沒有其他形式的集體行為。

其中一個目標研究對象是假單胞菌;免疫力低的病人容易受其感染。假單胞菌細胞互通訊息,可以改變所處環境來延長生命,並散播及遠。

相對於發現集體振盪,要了解細菌之間的複雜溝通是更高層次,有待吳教授窮其究竟。

「即使你知道單一細胞之間如何相互作用,也無法預計這些細胞在集體層面如何相互作用。」吳教授解釋:「這正是研究集體行為的妙處。」

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吳藝林 教授 物理系 細胞集體活動 理學院 細菌