[論文レビュー] The role of mechanical forces in the planar-to-bulk transition in growing Escherichia coli microcolonies

Matthew A. A. Grant, Bartłomiej Waclaw+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2014

Biocrusts and Microbial Ecology被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、*E. coli* 細胞とアガロースマトリックスとの間の摩擦という機械的力が、マイクロコロニーにおける2次元から3次元への成長転移をどのように制御するかを調査している。実験、現象論的理論、個体ベースのシミュレーションを用いて、アガロース濃度に応じた非単調な摩擦が、転移におけるコロニーサイズの非自明なピークを説明できることを示しており、アガロース濃度に依存する摩擦係数の複雑な依存関係を予測している。

ABSTRACT

Mechanical forces are obviously important in the assembly of three-dimensional multicellular structures, but their detailed role is often unclear. We have used growing microcolonies of the bacterium \\emph{Escherichia coli} to investigate the role of mechanical forces in the transition from two-dimensional growth (on the interface between a hard surface and a soft agarose pad) to three-dimensional growth (invasion of the agarose). We measure the position within the colony where the invasion transition happens, the cell density within the colony, and the colony size at the transition as functions of the concentration of the agarose. We use a phenomenological theory, combined with individual-based computer simulations, to show how mechanical forces acting between the bacterial cells, and between the bacteria and the surrounding matrix, lead to the complex phenomena observed in our experiments - in particular a non-trivial dependence of the colony size at the transition on the agarose concentration. Matching these approaches leads to a prediction for how the friction coefficient between the bacteria and the agarose should vary with agarose concentration. Our experimental conditions mimic numerous clinical and environmental scenarios in which bacteria invade soft matrices, as well as shedding more general light on the transition between two- and three-dimensional growth in multicellular assemblies.

研究の動機と目的

• 成長する *E. coli* マイクロコロニーにおける平面的からボリューム的への転移を支配する機械的力の理解を図ること。
• 基底板の弾性率、細胞同士の相互作用、またはマトリックスとの摩擦のうち、どの要因が転移ダイナミクスを支配しているかを特定すること。
• 実験的観察されたコロニーのサイズと理論的・シミュレーション的モデルを一致させること。
• *E. coli* とアガロース間の摩擦係数の濃度依存的挙動を予測すること。
• 軟らかな環境における複雑な多細胞形態形成を説明する最小限の機械的モデルを提供すること。

提案手法

• アガロース濃度を1.5%から3.5%に変化させた条件下で、コロニーのサイズ、細胞密度、および転移位置を測定する実験。
• マイクロコロニーに作用するアガロースによる縦方向および径方向の圧縮力の現象論的理論の構築。
• 可変な摩擦係数と弾性率を有する個体ベースの確率的シミュレーションによるマイクロコロニー成長のシミュレーション。
• 周辺細胞に作用する径方向の圧縮力および摩擦力のシミュレーション。力則はヘルツ接触則および粘性抵抗に基づく。
• 実験データと照らし合わせて、シミュレーションによるコロニー面積、侵入距離、および転移時の細胞密度を比較。
• シミュレーション出力と実験データを一致させるパラメータフィッティングにより、アガロース濃度に依存する非単調な摩擦係数の依存関係を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような機械的力が *E. coli* マイクロコロニーにおける2次元から3次元への成長転移を駆動しているか？
• RQ2 アガロース濃度は、平面的からボリューム的への転移におけるコロニーのサイズおよび形態にどのように影響するか？
• RQ3 アガロースによる径方向の圧縮力と、細胞とアガロースとの間の摩擦のどちらが、転移において支配的力か？
• RQ4 可変摩擦係数を有する最小限の機械的モデルは、実験的に観察された非単調なコロニーのサイズのピークを再現できるか？
• RQ5 *E. coli* 細胞とアガロース間の摩擦係数の予測される濃度依存性は何か？

主な発見

• 平面的からボリューム的への転移におけるコロニー面積は、アガロース濃度に対して非単調な依存関係を示し、約2.5%のアガロースでピークを示す。
• 実験データは、転移におけるコロニーのサイズにピークが存在するが、シミュレーションでは定数または単調に変化する摩擦係数ではこれを再現できない。
• 実験で観察されたピークを再現するためには、速度に依存しない摩擦係数を用いる必要があり、その摩擦係数はアガロース濃度の増加に伴い一時的に増加し、その後減少する非単調な依存関係を示す必要がある。
• アガロースによる径方向の圧縮力だけではデータを説明できない。摩擦が、転移点の決定において圧縮力よりも支配的である。
• 速度に依存する摩擦モデルは静的摩擦モデルと類似した結果を示すが、実験データとの一致はわずかに劣る。
• 本研究では、観察結果と一致させるために、*E. coli* とアガロース間の摩擦係数がアガロース濃度に非単調に依存する必要があると予測している。