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 order）；IV型菌毛（type IV pili）；Pil-Chp系统；向列相关（nematic correlation）；微迷宫（micromaze）；机械趋性（mechanotaxis）

• 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/s41564-026-02505-1
• 期刊：Nature Microbiology（IF=18.7，2025 JCR于2026发布；5年IF=20.8；MICROBIOLOGY Q1，6/167）
• 发表时间：2026年10月6日在线发表

研究总结

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

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/s41564-026-02505-1
• Nature Microbiology期刊主页与投稿指南：https://www.nature.com/nmicrobiol
• Omnipose单细胞分割：https://github.com/kevinjohncutler/omnipose
• TrackMate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