摘要密集细菌群体常借助包括群体运动在内的集体行为在复杂异质环境中导航。群体内部局部相互作用是否能够主动调节集体有序性此前并不明确。作者通过活体成像、单细胞追踪与模拟发现**铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa**可借助机械感知细胞间碰撞调控集体有序性从而实现适应性表面探索。碰撞诱导的反转会抑制高密度群体中细胞对齐不反转突变株无论密度高低均维持紧密近线性运动而野生型可适应局部拥挤从拥挤区各向同性运动转换为菌落前沿单向探索。随着密度升高碰撞产生信息并反馈至单细胞运动性以调节集体有序性带来导航优势。该优势可延伸至微迷宫等空间结构化环境碰撞诱导反转可防止细胞在物理边界处受困。上述结果表明细菌集体组织不仅是物理相互作用的涌现结果更是反馈调控状态。keyword机械感觉mechanosensing细胞间碰撞cell-cell collision接触诱导反转contact-induced reversal集体有序collective orderIV型菌毛type IV piliPil-Chp系统向列相关nematic correlation微迷宫micromaze机械趋性mechanotaxisLe Blanc L, Cattaneo G, Heraud N, Sarikhani E, Meganathan D P, Tsai C-N, Tahir A, Kühn M J, Jahed Z, Kim S, Persat A (2026). Bacteria regulate collective behaviour by mechanosensing cell-cell collisions. Nature Microbiology. https://doi.org/10.1038/s41564-026-02505-1期刊Nature MicrobiologyIF18.72025 JCR于2026发布5年IF20.8MICROBIOLOGY Q16/167发表时间2026年10月6日在线发表研究总结铜绿假单胞菌碰撞机械感知科学背景与目标密集群体表面运动与集体有序IV型菌毛与Pil-Chp机械感觉实验与计算活体显微与单细胞追踪Voronoi与向列相关分析自驱动杆状粒子模拟核心发现碰撞反转抑制高密度对齐密度自适应核心无序前沿有序微迷宫反转避免边界堵塞应用与意义感染组织扩散与生物膜活性物质与机器人群体背景介绍经典自驱动杆状粒子模型认为密集棒状细菌可通过空间排斥与局部对齐自发形成向列相般的有序群体密度越高长程对齐越强但也可能把细胞锁入集团与涡旋削弱扩散探索。化学感官如群体感应可调控基因表达与部分运动反应但难以解释秒级、局部、由物理接触直接产生的运动反馈。铜绿假单胞菌在表面以IV型菌毛进行抽动运动极部菌毛激活Pil-Chp机械感觉系统遇障碍物或邻居阻挡时响应调节蛋白PilH促进极性转换并引发接触诱导反转PilG则促进极部菌毛进一步部署与前向运行。该体系为研究“物理碰撞是否作为感觉信息”提供了可控模型。作者以野生型、不反转ΔpilH、组成型反转ΔpilG并辅以形状与反转解耦突变株结合影像、追踪与智能体模拟定量解析碰撞信息如何反馈调节群体有序。重要结果结果1 机械感觉反馈重塑群体组织Mechanosensory feedback reshapes collective organization作者以表面覆盖率作为密度指标对低密10%与高密70%群体进行Voronoi镶嵌与向列相关分析。低密时三株型间分布差异小高密时ΔpilH形成致密团簇Voronoi面积分布右偏向列相关衰减长度可达约20个邻居野生型与ΔpilG保持近均匀、短衰减的无序状态。智能体模拟将细胞设为自驱动球柱体扫描长宽比与接触反转概率显示提高**接触反转概率contact reversal probability, PCR**可独立瓦解团簇与向列有序。用长形但保留反转的ΔcpdA、以及短形不反转的ΔpilH cyaB做实验验证证明细胞形状影响对齐强度但碰撞反转才是密度依赖有序调控的主导反馈。图1图例A为高密度下野生型、ΔpilH与ΔpilG相位对比图像及取向彩色图显示ΔpilH聚团而野生型与ΔpilG分散。B为低密与高密Voronoi镶嵌示例tile面积用色标表示。C、D为归一化Voronoi tile面积分布高密ΔpilH呈宽右偏、野生型与ΔpilG近似对称。E为细胞取向彩色图。F为按细菌宽度归一化距离计算的向列相关函数高密三独立重复。G为向列相关衰减长度随表面覆盖率变化灰区表示非运动菌因生长产生的背景有序。图2图例A至C为模拟不同PCR与长宽比参数下野生型、ΔpilG、ΔpilH式群体的空间分布。D为参数空间热图横轴PCR、纵轴分别给出向列衰减长度与Voronoi偏度线性或对数色标显示高PCR降低有序与聚集。E为实验验证ΔcpdA虽长宽比接近ΔpilH但保留反转仍表现野生型样低偏度、短衰减ΔpilH cyaB恢复野生型样长宽比但缺失反转仍增加聚集向列强度受形状限制各面板给出独立重复均值。结果2 接触反转按密度调节单细胞轨迹Contact reversals tune single-cell trajectories with density作者对mNeonGreen标记子集进行高密与低密追踪。ΔpilH轨迹持续近直线常形成流线与涡旋ΔpilG高频原地抖动野生型低密持久、高密转曲折。均方位移标度中ΔpilH接近时间一次方准弹道ΔpilG接近零次方差野生型低密约0.6、高密约0.3呈密度依赖从准弹道向弱超扩散过渡。菌落前沿核心弱超扩散、边缘准弹道mNeonGreen-PilG极部荧光在前沿统一指向未占空间而ΔpilH前沿定向弱。竞争实验以野生型mKate分别混合ΔpilG或ΔpilH荧光株按距前沿距离计量相对丰度野生型始终占据扩张前端说明碰撞反转兼顾避堵与协同外扩。图3图例A、B为低密与高密单细胞轨迹及持久性示例。C为轨迹持久性随密度变化。D、E为实验与模拟集合均方位移双对数曲线展示ΔpilH准弹道、ΔpilG扩散、野生型密度转换。F为菌落核心与前沿原始图像及按持久性着色轨迹。G为前沿与核心均方位移对比含实验实线与模拟虚线。H为野生型全群mKate混合15% mNeonGreen-PilG前沿荧光极化向量指向最亮极。I为前沿极化角极坐标统计野生型相对未占水平空间强定向ΔpilH定向减弱。J为野生型mKate与ΔpilG或ΔpilH mNeonGreen一比一混合前沿竞争复合图。K为距前沿距离的相对丰度曲线显示野生型随扩张距离占比升高。结果3 微迷宫中接触诱导反转换航避障Contact-induced reversals enable micromaze navigation作者以光刻与反应离子刻蚀在熔融石英制备微米迷宫自入口接种孤立细胞并延时成像。ΔpilH接触墙体后不反转沿壁与拐角累积并很快堵塞野生型接触固定边界即触发反转重新选择通道。4小时内野生型平均覆盖迷宫面积92%、逃逸概率20%ΔpilH分别为65%与1%。在替代几何中以野生型mKate与ΔpilH mNeonGreen竞争野生型同样占据更多通道并到达出口。该结果证明机械趋性将边界接触转为空间探索信息可在无化学梯度结构中避免群体受困。图4图例A为微迷宫结构示意、入口与出口及单细胞荧光轨迹。B、C为野生型与ΔpilH延时位置叠加显示野生型碰壁反转向内探索、ΔpilH沿墙与拐角堆积。D、E分别为4小时面积覆盖率与停留热图统计野生型空间覆盖显著高于不反转株。F为逃逸概率定义为到达出口细胞数占总进入迷宫细胞数比例三独立重复。G、H为野生型mKate与ΔpilH mNeonGreen在另一迷宫几何中的竞争时序与全程投影黑色轮廓为分割所得结构边界。方法学参考铜绿假单胞菌野生型与ΔpilH/ΔpilG等突变株构建半固体胰蛋白胨琼脂糖垫进行抽动运动宽场或自旋盘共聚焦按5秒间隔采5分钟Omnipose单细胞分割与TrackMate单轨迹重建Voronoi镶嵌、向列相关、均方位移与接触反转统计MATLAB自驱动球柱粒子模拟扫描长宽比与反转概率光刻与反应离子刻蚀制备石英微迷宫并做边界导航输出有序度、扩散体制、覆盖率与逃逸概率上述流程中表面覆盖率取代单位面积细胞数作为密度指标可消除突变株长宽差异对接触频率的干扰分割采用Omnipose相位或荧光模型追踪采用Trackastra以降低密集重叠误差向列相关以cos2Δθ按邻居距离平均并拟合指数衰减模拟以过阻尼朗之万方程描述平动与转动接触反转按接触角与时限概率化。该方法组合可供表面运动、群体有序与受限导航研究直接借鉴。总结作者证明铜绿假单胞菌并非被动接受物理相互作用产生有序而是将细胞碰撞作为感觉输入通过Pil-Chp系统触发接触诱导反转形成密度依赖的反馈开关拥挤核心以反转维持无序、促进离散空旷前沿减少正向碰撞、保留极部对齐与协同外扩。不反转突变株虽单细跑更快但在高密与结构化边界中因长程向列锁定与拐角堵塞而丧失探索效率。该机制补充了化学群体感应之外的快速物理反馈对理解病原菌在组织间隙扩散、生物膜前沿推进具有参考价值其“局部接触—信息反馈—集体重排”原则也可迁移至活性物质设计与机器人群体控制。参考文献Le Blanc L, Cattaneo G, Heraud N, Sarikhani E, Meganathan D P, Tsai C-N, Tahir A, Kühn M J, Jahed Z, Kim S, Persat A (2026). Bacteria regulate collective behaviour by mechanosensing cell-cell collisions. Nature Microbiology. https://doi.org/10.1038/s41564-026-02505-1Nature Microbiology期刊主页与投稿指南https://www.nature.com/nmicrobiolOmnipose单细胞分割https://github.com/kevinjohncutler/omniposeTrackMate轨迹追踪https://imagej.net/plugins/trackmate/微迷宫光刻与反应离子刻蚀方法详见原文Methods章节及补充材料