[論文レビュー] Motility-induced buckling and glassy dynamics regulate three-dimensional transitions of bacterial monolayers

Sho C. Takatori, Kranthi K. Mandadapu|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2020

Plant and Biological Electrophysiology Studies参考文献 40被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、動くPseudomonas aeruginosaの単層膜における動力学的粘性応力と動的圧力が、速度依存性の屈曲メカニズムによって2次元から3次元への転移を駆動することを明らかにした。一方、高密度なコロニーでは、運動的 Arrest されたガラス的状態に移行し、その中で内部からの核生成駆動の3次元的成長が特徴的である。本研究は、アクティブな細菌系における運動性、密度、3次元形態形成の統一的ダイナミクス状態図を確立した。

ABSTRACT

Many mature bacterial colonies and biofilms are complex three-dimensional (3D) structures. One key step in their developmental program is a transition from a two-dimensional (2D) monolayer into a 3D architecture. Despite the importance of controlling the growth of microbial colonies and biofilms in a variety of medical and industrial settings, the underlying physical mechanisms behind single-cell dynamics, collective behaviors of densely-packed cells, and 3D complex colony expansion remain largely unknown. In this work, we explore the mechanisms behind the 2D-to-3D transition of motile Pseudomonas aeruginosa colonies; we provide a new motility-induced, rate-dependent buckling mechanism for their out-of-plane growth. We find that swarming of motile bacterial colonies generate sustained in-plane flows. We show that the viscous shear stresses and dynamic pressures arising from these flows allow cells to overcome cell-substrate adhesion, leading to buckling of bacterial monolayers and growth into the third dimension. Modeling bacterial monolayers as 2D fluid films, we identify universal relationships that elucidate the competition between in-plane viscous stresses, pressure and cell-substrate adhesion. Furthermore, we show that bacterial monolayers can exhibit crossover from swarming to kinetically-arrested, glassy-like states above an onset density, resulting in distinct 2D-to-3D transition mechanisms. Combining experimental observations of P. aeruginosa colonies at single-cell resolution, molecular dynamics simulations of active systems, and theories of glassy dynamics and 2D fluid films, we develop a dynamical state diagram that predicts the state of the colony, and the mechanisms governing their 2D-to-3D transitions.

研究の動機と目的

• 動く細菌単層膜における2次元から3次元への転移を駆動する物理的メカニズム、特にPseudomonas aeruginosaにおいて理解すること。
• 集団的運動性と細胞密度が細菌コロニーのダイナミクス的状態に与える影響を調査し、スワーミング状態とガラス的状態の区別をすること。
• 平面内流れと粘性応力が、平面外の屈曲と3次元的拡張を可能にする役割を特定すること。
• 運動性と密度に基づいてコロニーの状態と2次元から3次元への転移メカニズムを予測可能な包括的ダイナミクス状態図を構築すること。
• 実験的観察、分子動力学シミュレーション、アクティブマターおよびガラス的ダイナミクスの理論モデルを統合すること。

提案手法

• アガーパッド上に育成されたP. aeruginosaコロニーにおける3次元単層膜の転移を、単細胞分解能で追跡する共焦点顕微鏡法。
• 運動性の役割を分離するために、ワイルドタイプおよび非運動性のpilA突然変異株を用いる。
• 球柱体幾何学とWCAポテンシャルを有するアクティブブラウン運動粒子の分子動力学シミュレーションにより、細胞-細胞および細胞-基板相互作用をモデル化する。
• 活性度を定量化し、流体的状態からガラス的状態への転移を特徴付けるために、ペクレ数（Pe = U₀τ_R/σ）を適用する。
• PIVLabおよび画像追跡を用いた平面内速度場およびダイナミック不均一性の分析により、集団的流れを定量する。
• 2次元流体膜の理論的モデリングにより、屈曲に伴う粘性応力、圧力、および接着エネルギーの普遍的関係を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動性を持つ細菌単層膜における2次元から3次元への転移を駆動する物理的メカニズムは何か、特にスワーミングP. aeruginosaコロニーにおいて。
• RQ2 細胞密度が細菌コロニーのダイナミクス的状態にどのように影響し、スワーミング状態から運動的 Arrest されたガラス的状態への移行を引き起こす要因は何か。
• RQ3 集団的運動性が生み出す平面内粘性応力と動的圧力が、細胞-基板接着エネルギーをどれほど克服して屈曲を誘発するのか。
• RQ4 スワーミングコロニー（縁縁駆動）と高密度ガラス的コロニー（内部駆動）における3次元転移メカニズムの違いは何か。
• RQ5 運動性と密度に基づいて、コロニーの状態と転移メカニズムを予測可能な包括的ダイナミクス状態図を構築できるか。

主な発見

• スワーミングP. aeruginosaコロニーは持続的な平面内流れを生成し、特に移動先端部で単純せん断および圧縮流れを示す。これらの流れは、平面外転移の核生成と相関していた。
• 運動性のあるコロニーにおける平面外転移は、細胞分裂よりもはるかに速い時間スケールで発生するため、成長に起因する屈曲とは異なる運動性駆動のメカニズムであることが示された。
• 非運動性のpilA突然変異株では、3次元的転移はコロニー内部でのみ発生し、遅い速度で進行する。これは、成長または分裂に起因する屈曲と一致するが、ワイルドタイプのスワーミングコロニーにおける高速で流れに結合した転移とは対照的である。
• 高密度状態では、運動性のあるコロニーがガラス的で運動的 Arrest された状態に移行し、ダイナミック不均一性と断続的な粒子運動を示す。これは過冷液体や圧縮コロイドに類似している。
• 高密度でガラス的状態のコロニーにおける2次元から3次元への転移は、内部で核生成され、運動性誘発の屈曲とは異なるメカニズムに従う。これは静的系における既知の屈曲現象と整合的である。
• 2次元アクティブ流体膜の理論的モデルにより、平面内粘性応力、動的圧力、および細胞-基板接着エネルギーの普遍的バランスが特定され、屈曲の発生を予測可能となった。