[論文レビュー] Local polar order controls mechanical stress and triggers layer formation in developing Myxococcus xanthus colonies

Endao Han, Chenyi Fei+5 more|PubMed|Aug 1, 2023

Micro and Nano Robotics参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、栄養欠乏条件下で、マイキオコッカス・キサンティウスのコロニーにおける局所的な極性秩序が、確率的細胞の逆走に駆動されて生じる異常な応力揺らぎが、機械的レイヤー形成および果実体形成を引き起こすことを明らかにした。細胞は栄養欠乏に応じて逆走頻度を調整することで、極性秩序を制御し、単層の拡散から3次元多細胞発達へのスイッチを実現する。

ABSTRACT

Colonies of the social bacterium <i>Myxococcus xanthus</i> go through a morphological transition from a thin colony of cells to three-dimensional droplet-like fruiting bodies as a strategy to survive starvation. The biological pathways that control the decision to form a fruiting body have been studied extensively. However, the mechanical events that trigger the creation of multiple cell layers and give rise to droplet formation remain poorly understood. By measuring cell orientation, velocity, polarity, and force with cell-scale resolution, we reveal a stochastic local polar order in addition to the more obvious nematic order. Average cell velocity and active force at topological defects agree with predictions from active nematic theory, but their fluctuations are anomalously large due to polar active forces generated by the self-propelled rod-shaped cells. We find that M. xanthus cells adjust their reversal frequency to tune the magnitude of this local polar order, which in turn controls the mechanical stresses and triggers layer formation in the colonies.

研究の動機と目的

• 栄養欠乏誘発発達におけるマイキオコッカス・キサンティウスの多細胞レイヤー形成を引き起こす機械的メカニズムを理解すること。
• ネマチック秩序を超えた局所的極性秩序が機械的応力と集団的ダイナミクスをどのように生成するかを調査すること。
• 細胞の逆走頻度が極性秩序をどのように調節し、細菌コロニーの形態的転移を制御するかを特定すること。
• 極性秩序がアクティブ・ネマチック系におけるトレイション力、速度揺らぎ、欠陥を介した細胞フラックスに与える影響を定量すること。

提案手法

• 細胞の方向、速度、極性を追跡するために、タイムラプス明-field および蛍光顕微鏡を用いてアガー面上の生きた M. xanthus コロニーを撮影した。
• 細胞の方向データを用いてネマチック秩序パラメーターフィールド内のトポロジカル欠陥（±1/2）をマッピングし、それらが細胞フラックスおよび蓄積に果たす役割を分析した。
• 変形可能な基板と画像相関技術を用いて、高空間・高時間分解能で細胞のトレイション力を測定した。
• 逆走する野生型と逆走しない ΔfrzE 突然変異体の株を比較することで、逆走頻度が極性秩序および機械的応力に与える影響を隔離した。
• 細胞の極性（p）および速度（v）の時間自己相関関数を計算し、相関時間の測定と局所的極性秩序の強度の推定を行った。
• トレイション力のパワースペクトル密度（PSD）を分析し、逆走する集団と逆走しない集団における異なるべき乗則的挙動（f⁻¹.¹ 対 f⁻²）を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的極性秩序は、M. xanthus コロニーにおける機械的応力揺らぎおよびレイヤー形成にどのように寄与するか？
• RQ2 細胞の逆走頻度は、局所的極性秩序をどのように調整し、多細胞形態形成を引き起こすか？
• RQ3 極性秩序とネマチック秩序は、集団的細胞ダイナミクスおよび欠陥を介した流れをどのように共存・相互作用させているか？
• RQ4 逆走しない突然変異体は、逆走する細胞と同等の速度を示すにもかかわらず、なぜより顕著なレイヤー形成を示すのか？
• RQ5 逆走する集団と逆走しない集団におけるトレイション力スペクトルの異なるべき乗則的スケーリングの起源は何か？

主な発見

• 栄養豊富な条件下でも、逆走しない ΔfrzE 突然変異体は逆走する野生型細胞よりも顕著に多層領域を形成した。これは、長時間にわたる逆走周期が局所的極性秩序を強化することを示している。
• 細胞の極性（τₚ）および速度（τᵥ）の相関時間は、逆走する細胞では約 0.8 分から、逆走しない細胞では約 3.7 分に増加しており、これにより後者の極性秩序がより強いことが確認された。
• 平均速度は類似していたが、逆走しないコロニーはより持続的な流れを生成し、より強い機械的応力揺らぎを示した。トレイション力分布は低周波数域でより長い尾部を示した。
• パワースペクトル密度（PSD）解析により、逆走する細胞は f⁻¹.¹ のべき乗則を示したが、逆走しない細胞は低周波数域で f⁻² に近づき、長波長応力揺らぎが強化されていることが示された。
• +1/2 電荷を有するトポロジカル欠陥は、細胞の流入を誘導し、レイヤー形成を促進した。一方、-1/2 電荷の欠陥は細胞の流出を引き起こし、穴の形成をもたらした。これはアクティブ・ネマチック理論と整合的であった。
• 本研究は、細胞の逆走時間を制御可能な生物学的ノブとして特定し、極性秩序、機械的応力、および単層から3次元果実体への形態的転移を制御するメカニズムを解明した。