长期以来，细菌被广泛研究为化学信号主导的生命系统，其行为调控、群体通讯、代谢网络以及致病机制，大多从分子和化学角度进行解释。然而，随着微纳米技术和生物物理学的发展，研究者逐渐认识到：力学因素在细菌生命过程中扮演着不可或缺的角色。不同于化学信号需要特异性受体识别并进行较长链条的信号转导，机械刺激往往以更快、更直接的方式影响细胞行为。
细菌生活在充满物理挑战的世界中。它们的体积小、表面积大，使其暴露于各种外部机械扰动中：如流体剪切力、渗透压波动、固体表面张力、细胞碰撞与膜变形等。这些力学环境既可以是来自宿主的（如肠道蠕动、尿液流动等），也可以是微生物自身运动或菌群结构形成所产生的。尤其在自然界中，细菌通常以群体形式存在，如生物被膜（biofilms），这类三维结构自身就具有复杂的力学属性，如张力梯度、压缩应力与空间限制等。此外，细菌自身的结构也具有独特的物理特征。细胞壁的肽聚糖层能够承受极高的内渗透压，鞭毛系统能够产生旋转驱动力用于游动，IV型菌毛则可以伸缩牵引细胞实现“黏附运动”（twitching motility）。这些细胞器不仅是机械构件，同时也参与环境感知，是细菌与外界进行力学信息交流的“触角”。
然而，与化学信号感知机制（如激酶通路、二级信使等）相比，细菌如何感知、整合和利用力学信息，这一课题在过去一直缺乏系统性的研究。随着细胞生物力学领域的发展，尤其是单细胞力学测量技术（如原子力显微镜、光镊、微流控平台等）的广泛应用，研究者开始重新审视细菌对其微环境中物理信息的响应机制。这也催生了“细菌力学生物学”（bacterial mechanobiology）这一新兴研究方向。在这样的背景下，本综述旨在整合近十年来在细菌力学感知、细胞结构力学性质、力学调控行为等方面的最新研究成果，全面呈现细菌如何构建其“力学世界”，并在此基础上提出未来研究所面临的核心问题与潜在突破方向。
一、细菌如何维持结构完整性：细胞壁的力学角色
文章首先聚焦于细菌维持结构完整性的核心——细胞壁（cell wall），特别是其主要成分——肽聚糖（peptidoglycan）层的力学特性。细菌内部存在极高的渗透压（turgor pressure），尤其是在营养丰富的环境中，细胞内外渗透压差可高达几个大气压（>1MPa）。为抵抗这一内压，细菌依赖细胞壁的刚性结构。肽聚糖网状结构通过交联的多糖链和短肽侧链提供张力支撑，从而防止细胞膨胀破裂。
作者指出，细胞壁不仅是静态支架，更是动态调控结构。细菌在生长、分裂或改变形状（如由球形变为杆状）过程中，需要精准调节肽聚糖的合成与降解，这涉及多种细胞壁水解酶、转肽酶和外膜蛋白的协调作用。例如，在分裂时，细菌需在中央局部软化细胞壁，同时在新极端处加固，从而实现形态重塑而不失稳。力学平衡的调控是这一过程不可或缺的部分。
二、机械感知的分子基础：细菌如何“感觉”力
细菌感知其微环境中的机械信号主要依赖机械门控通道（mechanosensitive channels）和其他力敏感结构。
经典的例子是MscL 和 MscS 通道，它们在渗透胁迫下自动开启，释放胞内小分子以避免细胞破裂。这些通道对细胞膜张力非常敏感，是细菌应对突发物理冲击的“第一响应器”。
更广义的机械感知还涉及结构蛋白。例如：
IV型菌毛（type IV pili）可以附着在表面，并通过周期性伸缩（依赖于PilT、PilB等ATP酶）产生牵引力，实现“黏附运动”。细菌通过感知这些牵引力的阻力变化判断是否接触到固体表面。
鞭毛系统（flagella）在游动时不断旋转，当细菌撞击表面时，鞭毛旋转受阻，这一物理信号也被认为可触发转导通路的激活。
某些细菌表面的外膜蛋白和黏附素（如FimH）可在黏附时产生力学反馈，调节信号传导（例如通过c-di-GMP水平影响表型转化）。
这些“力感知器”构成细菌获取外界物理信息的分子基础。
三、力学调控行为转化：从游动到附着与生物被膜形成
细菌面对表面时，常常发生一种行为转变——从自由游动转变为表面黏附状态，进而进入生物被膜（biofilm）的建立阶段。这一过程被称为附着转化（surface sensing），其背后有明确的力学驱动机制。
文章详细阐述，细菌在表面接触过程中，感知来自菌毛和鞭毛的物理反馈，引发细胞内信号通路激活，最重要的是c-di-GMP系统。这一信号分子水平升高会导致表达附着相关因子（如胞外多糖、黏附蛋白、鞭毛抑制蛋白），从而加强细胞附着并降低运动能力。
在被膜中，细胞聚集成三维结构，并分泌丰富的胞外基质（EPS），形成力学上的“微生态系统”。其中：
中心区域承受更大的压缩应力；
边缘区域暴露于更大的剪切应力；
EPS提供结构支撑，并影响水分、营养扩散；
细胞位置不同，其基因表达和代谢活动也不同，表现出力学—功能分化。这种基于力学环境的行为调节使得生物被膜不仅是物理结构，更是调控平台。
四、致病细菌如何利用力学机制与宿主互动
在与宿主细胞的相互作用中，许多病原菌依赖力学机制促进定植、入侵和传播。文章举了多个例子：
泌尿道致病性大肠杆菌（UPEC）借助FimH黏附素结合尿道上皮糖蛋白，施加局部力诱导宿主细胞骨架重塑，从而增强附着并促进内吞。
沙门氏菌与李斯特菌等细胞内寄生菌可通过激活宿主肌动蛋白聚合，实现“力驱动”的细胞内运动与传播。
某些细菌可通过“推拉机制”对宿主细胞施加牵引力，诱导信号转导通路激活或破坏紧密连接，增强组织穿透能力。
这些例子揭示了力学不仅是环境信号，也是病原体操控宿主的工具。
五、技术推动与未来前景
文章最后探讨了实验技术对该领域的推动作用，包括：
原子力显微镜（AFM）用于测量细胞壁硬度、细胞膜张力；
微流控平台可模拟血流、尿流等复杂力学环境；
光镊和磁镊技术可精确施加纳牛顿级别的外力，观察细胞响应；
荧光力传感探针和高分辨成像技术实现了对力—信号之间的实时可视化。
作者强调，结合遗传工具、定量物理测量和动态成像，将为理解细菌力学生物学机制提供更完整的图景。
这篇综述全面梳理了细菌如何通过感知和整合机械信号来调控其结构、行为和生态适应性的最新研究进展，强调了力学生物学在微生物学中的独特地位。作者认为，细菌不仅是生化机器，还是“力学响应体”，其生命过程与微观力学环境高度耦合。这一认识为理解细菌的基本生命机制、致病过程乃至开发抗菌策略提供了新的研究视角。未来若能深入挖掘细菌感知力学信息的分子机制，有望在抗生素耐药、生物被膜干预等领域带来突破性进展。
