Active motility and wetting cooperatively regulate liquid-liquid phase separation

技术摘要：活性运动与润湿性协同调节液–液相分离

问题陈述
水相两相系统（ATPS）中的液–液相分离（LLPS）是物理学和生物科学中的基本现象，支配着从细胞内区室形成到工业生物技术的一系列过程。虽然被动相分离和畴粗化（domain coarsening）的动力学已得到充分研究，但由活性因子（如运动细菌）调节这些过程的研究仍处于空白。以往的研究主要集中在自驱动细菌产生的流体动力学相互作用（HIs）或被动胶体的分配行为上。然而，目前仍缺乏对细菌活性与界面润湿性之间的耦合如何引导相分离、决定模式形貌并控制粗化动力学的系统性理解。特别是，这种耦合对于稀释悬浮液中细菌群落组织的生物学意义尚未得到研究。

研究方法
作者采用实验观察与计算模拟相结合的方法，研究了右旋单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）在右旋糖酐（DEX）–聚乙二醇（PEG）混合物中的行为。

• 实验部分： 研究利用旋转盘共聚焦显微镜实时可视化三维相分离模式。通过接触角测量来量化 P. aeruginosa 在 DEX–PEG 以及水/PEG/DEX–空气界面处的润湿性。研究系统地改变 DEX 相的体积分数（$\phi_{dex}$）相对于细菌体积分数（$\phi_{bac}$）的比率，以分离粗化、润湿与活性之间的竞争关系。
• 模拟部分： 开发了一个基于流体粒子动力学（FPD）的粗粒化粒子–场混合模型。细菌被建模为推力型（pusher-type）游泳者（包含头部、尾部和虚拟粒子），并带有活性力偶。二元流体混合物由 Ginzburg–Landau 自由能泛函描述。至关重要的是，通过引入具有头部和尾部亲和系数的表面耦合项来整合细菌–流体润湿性，从而编码实现“活性–润湿性”耦合所需的对称性破缺。

核心贡献与结果
研究确定了界面润湿性是使细菌活性在力学上生效的对称性破节元素，使得活性应力能够与 LLPS 耦合。通过改变 $\phi_{dex}$，作者发现了三种截然不同的非平衡态形态机制：

1. 自旋转液滴（$\phi_{dex} > \phi_{bac}$）：

   • 机制： 锚定在 DEX 富集液滴界面的细菌打破了前后对称性。这使得无力的活性转化为极性界面应力，产生相干转矩，从而驱动液滴自发旋转。
   • 动力学： 这种旋转在低雷诺数下诱导了液滴间的有效流体动力学排斥。因此，活性抑制了畴粗化，导致其液滴尺寸显著小于非运动细菌或无细菌对照组系统。这代表了一种动力学受阻（kinetic frustration），即合并过程被阻断。

2. 拉长的液滴链（$\phi_{dex} \approx \phi_{bac}$）：

   • 机制： 随着 DEX 相变得有限，液滴通过连接来共享界面细菌所消耗的少量次要相。
   • 动力学： 界面锚定与活性协同稳定了这种层级化的非平衡态，防止了进一步的粗化，并形成了长寿命的液滴链。

3. 分支毛细管状簇（$\phi_{dex} < \phi_{bac}$）：

   • 机制： 在此机制下，活性的作用发生了逆转。润湿介导的吸引力占据主导地位。化学势梯度驱动溶剂流向细菌间区域，形成毛细管桥。
   • 动力学： 与液滴机制不同，在此情况下活性加速了粗化。运动性增强了聚集作用，使细菌能够捕获微米距离外的邻近个体——这远超耗尽吸引（depletion attraction）的作用范围——从而导致簇的快速生长。

生物学验证
为了在生物学背景下验证该机制，作者证明了生物膜相关蛋白（Bap）充当了界面“润湿胶水”。即使在稀释悬浮液中，Bap 的存在也会通过润湿介导的机制促进细菌聚集，证实了内源性蛋白可以通过这一物理原理触发组装。

意义与主张
本文确立了活性–润湿性耦合（而非单纯的活性或润湿性）是调节模式形貌和粗化动力学的核心物理原则。

• 双重动力学角色： 作者展示了活性对粗化具有双重效应：在液滴机制中通过流感应排斥抑制粗化，而在毛细管机制中通过润湿介导的吸引加速粗化。
• 通用框架： 研究结果提供了一个通用的细菌群落形成框架，表明界面润湿性是激活细菌运动性以使其与相分离发生力学耦合的关键要素。
• 实际应用： 该工作提出了通过引入微量润湿相来稳定生物乳液和控制聚集的策略，架起了微生物学与软物质物理学之间的桥梁。

作者总结道，其模拟框架广泛适用于模拟 ATPS 中的活性物质，为活性运动与润湿性如何协同构建非平衡态提供了统一的解释。