Active motility and wetting cooperatively regulate liquid-liquid phase separation

Sintesi Tecnica: La motilità attiva e l'umettabilità regolano cooperativamente la separazione di fase liquido-liquido

Problematica
La separazione di fase liquido-liquido (LLPS) nei sistemi a due fasi acquose (ATPS) è un fenomeno fondamentale nelle scienze fisiche e biologiche, che governa processi che vanno dalla formazione di compartimenti intracellulari alla biotecnologia industriale. Mentre la dinamica della separazione di fase passiva e del coarsening dei domini è ben stabilita, la regolazione di questi processi tramite agenti attivi, come i batteri motili, rimane ampiamente inesplorata. Le ricerche precedenti si sono concentrate sulle interazioni idrodinamiche (HI) generate da batteri auto-propulsi o sul partizionamento di colloidi passivi. Tuttavia, manca una comprensione sistematica di come il accoppiamento tra l'attività batterica e l'umettabilità interfacciale guidi la separazione di fase, determini la morfologia dei pattern e controlli la cinetica di coarsening. Nello specifico, non sono state investigate le implicazioni biologiche di questo accoppiamento per l'organizzazione delle comunità batteriche in sospensioni diluite.

Metodologia
Gli autori impiegano un approccio combinato di osservazione sperimentale e simulazione computazionale per investigare Pseudomonas aeruginosa in una miscela di destrano (DEX) e polietilene glicole (PEG).

• Esperimenti: Lo studio utilizza la microscopia confocale a disco rotante per visualizzare in tempo reale i pattern di separazione di fase 3D. Vengono effettuate misurazioni dell'angolo di contatto per quantificare la bagnabilità di P. aeruginosa alle interfacce DEX–PEG e acqua/PEG/DEX–aria. La frazione volumetrica della fase DEX ($\phi_{dex}$) è variata sistematicamente rispetto alla frazione volumetrica batterica ($\phi_{bac}$) per isolare la competizione tra coarsening, umettabilità e attività.
• Simulazioni: È stato sviluppato un modello ibrido particella-campo a grana grossa utilizzando la Fluid Particle Dynamics (FPD). I batteri sono modellati come nuotatori di tipo "pusher" (testa, coda, particella virtuale) con un dipolo di forza di attività. La miscela di fluidi binari è descritta da un funzionale di energia libera di Ginzburg–Landau. Fondamentalmente, l'umettabilità batterio-fluido è incorporata tramite termini di accoppiamento superficiale con coefficienti di affinità per la testa e la coda, codificando la rottura della simmetria necessaria per l'accoppiamento attività-umettabilità.

Contributi Chiave e Risultati
Lo studio identifica l'umettabilità interfacciale come l'elemento di rottura della simmetria che rende l'attività batterica meccanicamente efficace, permettendo alle tensioni attive di accoppiarsi alla LLPS. Variando $\phi_{dex}$, gli autori scoprono tre distinti regimi morfologici fuori equilibrio:

1. Gocce Auto-Rotanti ($\phi_{dex} > \phi_{bac}$):

   • Meccanismo: I batteri ancorati all'interfaccia della goccia ricca di DEX rompono la simmetria antero-posteriore. Ciò converte l'attività priva di forza in una tensione polare interfacciale, generando una coppia coerente che guida la rotazione spontanea della goccia.
   • Dinamica: Questa rotazione induce una repulsione idrodinamica effettiva tra le gocce a bassi numeri di Reynolds. Di conseguenza, l'attività sopprime il coarsening dei domini, risultando in dimensioni delle gocce significativamente minori rispetto ai sistemi con batteri non motili o controlli privi di batteri. Questo rappresenta un frustramento cinetico in cui la coalescenza viene arrestata.

2. Catene di Gocce Allungate ($\phi_{dex} \approx \phi_{bac}$):

   • Meccanismo: Man mano che la fase DEX diventa limitata, le gocce si connettono per condividere la fase minoritaria disponibile tra i batteri interfacciali.
   • Dinamica: L'ancoraggio interfacciale e l'attività stabilizzano cooperativamente questo stato gerarchico fuori equilibrio, impedendo l'ulteriore coarsening e consentendo catene di gocce a lunga durata.

3. Cluster Ramificati Simili a Capillari ($\phi_{dex} < \phi_{bac}$):

   • Meccanismo: In questo regime, il ruolo dell'attività si inverte. L'attrazione mediata dall'umettabilità predomina. I gradienti del potenziale chimico guidano i flussi di solvente verso la regione inter-batterica, formando ponti capillari.
   • Dinamica: A differenza del regime delle gocce, l'attività accelera il coarsening qui. La motilità favorisce l'aggregazione, permettendo ai batteri di catturare i vicini su distanze micrometriche, superando di gran lunga l'intervallo dell'attrazione per deplezione, portando a una rapida crescita dei cluster.

Validazione Biologica
Per validare il meccanismo in un contesto biologico, gli autori dimostrano che le proteine associate al biofilm (Bap) agiscono come una "colla di umettabilità" interfacciale. Anche in sospensioni diluite, la presenza di Bap promuove l'aggregazione batterica attraverso il meccanismo mediato dall'umettabilità, confermando che le proteine endogene possono innescare l'assemblaggio attraverso questo principio fisico.

Significato e Rivendicazioni
Il documento stabilisce l'accoppiamento attività-umettabilità, piuttosto che l'attività o l'umettabilità da sole, come il principio fisico governante per regolare la morfologia dei pattern e la dinamica di coarsening.

• Ruolo Cinetico Duplice: Gli autori mostrano che l'attività ha un duplice effetto sul coarsening: sopprime il coarsening tramite la repulsione indotta dal flusso nel regime delle gocce, ma accelera il coarsening tramite l'attrazione mediata dall'umettabilità nel regime capillare.
• Framework Generale: Le scoperte forniscono un quadro generale per la formazione delle comunità batteriche, suggerendo che l'umettabilità interfacciale sia l'elemento chiave che attiva la motilità batterica per accoppiarsi meccanicamente con la separazione di fase.
• Implicazioni Pratiche: Il lavoro suggerisce strategie per stabilizzare le bio-emulsioni e controllare l'aggregazione introducendo una fase di umettabilità minore, unendo la microbiologia e la fisica della materia soffice.

Gli autori concludono che il loro framework di simulazione è ampiamente applicabile alla modellazione della materia attiva negli ATPS, offrendo una spiegazione unificata di come la motilità attiva e l'umettabilità cooperino per ingegnerizzare stati fuori equilibrio.