[論文レビュー] A purely mechanical model with asymmetric features for early morphogenesis of rod-shaped bacteria micro-colony

Marie Doumic, Sophie Hecht+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Biocrusts and Microbial Ecology参考文献 41被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、細菌が重なり合いを避ける制約と非対称な摩擦・質量分布を通じてのみ相互作用する、完全に機械的な個体ベースのモデルを提案する。非対称な摩擦と質量を組み込むことで、引力を必要とせずに細長いマイクロコロニーの形状と4細胞配列を再現し、実験で観察された空間的パターンを最小限の機械的メカニズムで説明する。

ABSTRACT

To model the morphogenesis of rod-shaped bacterial micro-colony, several individual-based models have been proposed in the biophysical literature. When studying the shape of micro-colonies, most models present interaction forces such as attraction or filial link. In this article, we propose a model where the bacteria interact only through non-overlapping constraints. We consider the asymmetry of the bacteria, and its influence on the friction with the substrate. Besides, we consider asymmetry in the mass distribution of the bacteria along their length. These two new modelling assumptions allow us to retrieve mechanical behaviours of micro-colony growth without the need of interaction such as attraction. We compare our model to various sets of experiments, discuss our results, and propose several quantifiers to compare model to data in a systematic way.

研究の動機と目的

• 棒状細菌の初期マイクロコロニー形態形成に必要な最小限の機械的相互作用を理解すること。
• 実験的に観察された形状（細長い形状や4細胞配列など）を再現するために引力が必須であるかどうかを調査すること。
• 非重複制約と摩擦・質量分布の非対称性にのみ依存する最小限の機械的モデルを構築すること。
• モデル出力と実験データを比較するための体系的な定量指標を提案すること。
• マイクロコロニーの形状と細胞組織の観察結果と照らし合わせて、モデルを検証すること。

提案手法

• 各細菌を長軸に沿って非対称な質量分布を持つスフィアシリンダとして表現する個体ベースのフレームワークを用いる。
• 非重複制約はヘルツ反発力によって実装され、細菌同士の物理的重なりを防ぐ。
• 棒状細菌の両端に異なる摩擦係数を設定することで、非対称な摩擦を導入する。
• 質量分布の非対称性は、細菌の両極に異なる質量密度を割り当てることで組み込み、回転および並進運動に影響を与える。
• 2次元基板上での細菌の成長と分裂をシミュレーションし、機械的制約のみに従って細菌が分裂・移動する。
• 延長比や4細胞アレイ形成確率といった特定の形態的指標を用いて、実験データとの定量的比較を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期段階の棒状細菌マイクロコロニーの細長い形状が、引力や娘細胞の接着を必要とせずに再現可能か？
• RQ2 細菌の極に生じる非対称な摩擦が、マイクロコロニーの組織と形状にどのように影響するか？
• RQ3 ロッド軸に沿った質量非対称性が、方向性の成長と形態形成にどの程度寄与するか？
• RQ4 実験的に観察されたマイクロコロニーにおける4細胞配列を再現するために、最小限の機械的相互作用は何か？
• RQ5 非重複制約と非対称性にのみ依存する完全な機械的モデルは、化学的または接着的引力を必要とするモデルよりも、マイクロコロニー形態形成をよりよく説明できるか？

主な発見

• モデルは、引力や娘細胞の接着を一切必要とせず、実験で観察されたマイクロコロニーの細長い形状を成功裏に再現した。
• 細菌の極に生じる非対称な摩擦が、方向性の成長とマイクロコロニーの形状異方性を引き起こすのに十分である。
• ロッド軸に沿った質量非対称性は、分裂後の娘細胞の安定した整列と組織化に寄与し、4細胞アレイの形成を支援する。
• 非対称な摩擦条件下では、4細胞アレイ形成の確率が高くなるとモデルが予測し、実験観察と整合的である。
• 形態的指標を用いた定量的比較により、シミュレーション結果と実験データのマイクロコロニー形状に良好な一致が得られた。
• 本研究は、機械的制約と非対称性のみで、初期マイクロコロニー形態形成の主要な特徴を説明できることを示し、モデル化における複雑な生化学的シグナル伝達の必要性を低減できる。