[論文レビュー] Radial and Spiral Stream Formation in <i>Proteus mirabilis</i> Colonies

Chuan Xue, Elena O. Budrene+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Micro and Nano Robotics参考文献 58被引用数 46

ひとこと要約

本研究では、*Proteus mirabilis* 群集における径方向およびらせん状ストリーム形成を説明するハイブリッドセルベースモデルを提案する。内向きに移動するスイマー細胞が自己産生するアトラクトアントへの偏向走性と、基底面に起因する遊動バイアスにより、複雑なパターンを形成することが示された。このモデルは、細胞の移動性とアトラクトアント媒介シグナル伝達、基底面との相互作用を組み合わせることで、実験的に観察されたパターン、すなわち径方向およびキラルならせんストリームを再現する。

ABSTRACT

<div><p>The enteric bacterium <i>Proteus mirabilis</i>, which is a pathogen that forms biofilms <i>in vivo</i>, can swarm over hard surfaces and form a variety of spatial patterns in colonies. Colony formation involves two distinct cell types: swarmer cells that dominate near the surface and the leading edge, and swimmer cells that prefer a less viscous medium, but the mechanisms underlying pattern formation are not understood. New experimental investigations reported here show that swimmer cells in the center of the colony stream inward toward the inoculation site and in the process form many complex patterns, including radial and spiral streams, in addition to previously-reported concentric rings. These new observations suggest that swimmers are motile and that indirect interactions between them are essential in the pattern formation. To explain these observations we develop a hybrid model comprising cell-based and continuum components that incorporates a chemotactic response of swimmers to a chemical they produce. The model predicts that formation of radial streams can be explained as the modulation of the local attractant concentration by the cells, and that the chirality of the spiral streams results from a swimming bias of the cells near the surface of the substrate. The spatial patterns generated from the model are in qualitative agreement with the experimental observations.</p></div>

研究の動機と目的

• 従来のスワーミングフロントモデルを超えて、*Proteus mirabilis* 群集における径方向およびらせん状ストリーム形成のメカニズムを解明すること。
• 群集の中心部に存在するスイマー細胞が運動可能で、複雑な多細胞パターンを形成可能かどうかを特定すること。
• 自己産生アトラクトアントを介した間接的細胞間コミュニケーションが、群集内部のパターン形成を駆動するという仮説を検証すること。
• 個々の細胞行動と分泌アトラクトアントの反応拡散ダイナミクスを統合するハイブリッドセルベースモデルを構築すること。
• 運動可能なスイマー細胞における基底面に起因する遊動バイアスが、らせんストリームのキラリティをどのように誘導するかを解明すること。

提案手法

• ハイブリッドセルベースモデルは、スイマー細胞の個別的ダイナミクスと、分泌アトラクトアントの反応拡散方程式を結合する。
• 細胞の移動は、ランドターブル戦略を用い、方向の更新はターンカーネルと局所的なアトラクトアント濃度への偏向走性反応に基づく。
• インタポレーション演算子（Tgc）は、有限差分グリッド上の双線形補間を用いて、各細胞が感知するアトラクトアント濃度を推定する。
• 2番目のインタポレーション演算子（Tcg）は、空間的近接性と面積分率に基づき、細胞から周囲のグリッド点へのアトラクトアントの放出を分布させる。
• 反応拡散方程式の時間的解法には、交替方向陰的（ADI）法を用いる。
• 無限大または大規模な群集環境を模倣するために、ドメインに周期的境界条件を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内向きに移動する *Proteus mirabilis* 群集のスイマー細胞が、偏向走性シグナルによって径方向およびらせん状ストリームを形成できるか？
• RQ2 自己産生アトラクトアントは、群集中心部における多細胞ストリームパターンの組織化にどのような役割を果たすか？
• RQ3 基底面に起因する遊動バイアスは、キラルならせんストリーム形成にどのように寄与するか？
• RQ4 なぜ同じ条件下で同心円状のリングと複雑なストリームが共存するのか？
• RQ5 非運動的スイマー細胞を仮定せず、ハイブリッドセルベースモデルが観察された実験的パターンを再現できるか？

主な発見

• *Proteus mirabilis* 群集の中心部に存在するスイマー細胞は運動可能であり、内向きに流れ込むことで径方向およびらせん状ストリームを形成しており、これは通常、スワーマー細胞のみが運動可能であるという仮定に反する。
• 径方向ストリームの形成は、細胞の移動と分泌による局所的アトラクトアント濃度の変調によって説明できる。
• らせんストリームのキラリティは、基底面に起因する遊動バイアスを組み込むことで予測可能であり、実験的観察で観察される一貫した手の向きと一致する。
• モデルは、同じ条件下で同心円状のリング、径方向ストリーム、キラルならせんストリームを含む、実験的パターンと定性的に一致する。
• モデルは、群集内部における複雑なパターン形成に不可欠であるとされる、自己産生アトラクトアントを介した間接的相互作用の仮説を支持する。
• 実験的アミノ酸ドロップアッセイにより、アルアニンやアルギニンを含む複数のアミノ酸が *Proteus mirabilis* スイマー細胞に対してアトラクトアントとして機能することが確認された。