[論文レビュー] Life in the coffee-ring: how evaporation-driven density gradients dictate the outcome of inter-bacterial competition

David Yanni, Arben Kalziqi+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2017

Nanomaterials and Printing Technologies参考文献 23被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、蒸発誘発性の密度勾配によって引き起こされるコーヒー・リング効果が、*Vibrio cholerae* のバイオフィルムにおける細菌間競争の結果を劇的に変化させることを示している。実験と確率的セルオートマトンシミュレーションを用いて、低密度の内部では劣位にあった株が、高密度のリング領域では接触頻度の増加により勝利することを明らかにした。これは、微生物コミュニティの構造を規定する物理的力が、孤立した生物学的適合度を上回る可能性を示している。

ABSTRACT

When a drop dries, it often leaves a ring-shaped stain through a ubiquitous phenomenon known as the coffee-ring effect. This also occurs when the liquid contains suspended microbes; evaporation leaves cells at higher concentrations in the ring than the drop interior. Using biofilm experiments and cellular automata simulations, we show that the physical structure created by the coffee-ring effect can dramatically alter the outcome of inter-bacterial competition. We experimentally study this effect using two strains of $ extit{Vibrio cholerae}$ that compete using a contact-dependent killing mechanism termed the type 6 secretion system. By creating a heterogeneous density profile, the coffee-ring effect changes the outcome of competition: the bacterial strain that wins in the low-density interior loses in the far denser ring. Through simulations parameterized with experimentally-determined density profiles, we recapitulate our experimental findings. We examine the role of a $ extit{V. cholerae}$ strain's frequency, its relative efficacy at killing competitors, and the initial concentration of cells in the droplet in determining the outcome of competition. By scaling from individual cellular interactions to overall changes in strain frequency, our work demonstrates how the coffee-ring effect plays a powerful role in structuring microbial communities, indirectly driving ecological changes in community composition.

研究の動機と目的

• 物理的力、特にコーヒー・リング効果が構造化された微生物コミュニティにおける細菌間競争に与える影響を調査すること。
• 蒸発誘発性の細胞蓄積による空間的不均一性が、*Vibrio cholerae* の2株間の競争結果に与える影響を特定すること。
• 初期細胞濃度、T6SSによる殺傷効率、初期頻度の3要因が競争結果に与える相互作用を定量化すること。
• 実験で得られた密度プロファイルにパラメータ化した確率的セルオートマトンモデルを構築し、観察された競争ダイナミクスを再現すること。
• ドロップレットの蒸発による微生物集団の物理的構造化が、バイオフィルムコミュニティにおける生態的・進化的変化を間接的に引き起こすメカニズムを評価すること。

提案手法

• T6SSを介する接触依存的殺傷を有する2種の蛍光標識*V. cholerae* 株（mKO-赤、mTFP1-青）を用いた実験を実施した。
• アガーパッド上に1 µLのドロップレットを乾かし、共焦点蛍光顕微鏡を用いて競争の空間的パターンとコーヒー・リングの形成を観察した。
• ピクセル強度の方位平均を用いて顕微鏡画像から径方向の細胞濃度プロファイルを定量し、初期密度勾配を定義した。
• 各細胞が8つの近隣細胞と相互作用する正方形格子上の2次元確率的セルオートマトンモデルを構築した。殺傷確率はT6SS効率に応じ、赤株は$ p_{rk} $、青株は$ p_{bk} $で与えた。
• 初期割合($ r_i $)、初期濃度、相対殺傷効率($ k_R = p_{rk}/p_{bk} $)を変化させたシミュレーションを行い、最終赤細胞割合$ r_f $を結果指標とした。
• シミュレーション結果をシグモイド的ロジスティック関数$ r_f = \frac{1}{1 + e^{-\beta(r_i - r_i^*)}} $にフィットさせ、赤株が勝利するための臨界初期割合$ r_i^* $を推定した。これにより、異なる濃度間でデータを統合・内挿可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蒸発誘発性の流れによって引き起こされるコーヒー・リング効果が、*Vibrio cholerae* の2株間の細菌間競争結果にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ドロップレット内の初期細胞濃度が、株の適合度とは独立して競争結果に与える影響はどの程度か？
• RQ3 2株の相対殺傷効率と初期頻度比が、共同で最終コミュニティ構成をどのように決定づけるか？
• RQ4 実験で測定された密度プロファイルにパラメータ化した確率的セルオートマトンモデルは、コーヒー・リング構造内の観察された競争ダイナミクスを正確に再現できるか？
• RQ5 特に高密度のリング領域と低密度の内部における局所的細胞濃度が、接触依存的競争における細菌株の成功に果たす役割は何か？

主な発見

• 低密度の内部では劣位にあった株が、高密度のコーヒー・リング領域では接触頻度の増加により常に勝利する。
• コーヒー・リング効果は文脈依存の競争結果を生じさせる：低密度では優位な殺傷者も、高密度領域では優位な株となる。
• 赤株が勝利するための臨界初期割合$ r_i^* $は、初期濃度が低下するにつれて左シフトする。これは、優位な殺傷者が低密度条件でより大きな利益を得ることを示している。
• シミュレーション結果では、初期濃度が低下するにつれて、少数の細胞によるフラクチュエーションの影響でロジスティック曲線のフィットがノイズが多くなるが、これは大数の法則に一致する。
• $ r_i^* $を$ k_R $（相対殺傷効率）に対してプロットすると、異なる濃度間でデータが統合され、初期細胞数に依存しない普遍的な関係が明らかになった。
• シグモイド曲線へのフィットから得られたモデル予測の$ r_i^* $値は、$ r_f = 0.5 $のシミュレーションが存在しない場合でも、競争結果の正確な内挿を可能にし、予測力が向上した。