[논문 리뷰] A purely mechanical model with asymmetric features for early morphogenesis of rod-shaped bacteria micro-colony

Marie Doumic, Sophie Hecht외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 11.

Biocrusts and Microbial Ecology참고 문헌 41인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 구형세포가 아닌 막대 모양의 박테리아 미세집단의 초기 형체 발생을 위한 순수 기계적 개인 기반 모델을 제안한다. 여기서 박테리아는 오직 겹침 방지 조건과 비대칭 마찰/질량 분포를 통해 상호작용한다. 비대칭 마찰과 질량을 포함시킴으로써, 이 모델은 당김력이 필요 없이도 기장된 미세집단 형태와 네 세포 배열을 재현하며, 실험에서 관찰된 공간적 패턴에 대한 최소한의 기계적 설명을 제공한다.

ABSTRACT

To model the morphogenesis of rod-shaped bacterial micro-colony, several individual-based models have been proposed in the biophysical literature. When studying the shape of micro-colonies, most models present interaction forces such as attraction or filial link. In this article, we propose a model where the bacteria interact only through non-overlapping constraints. We consider the asymmetry of the bacteria, and its influence on the friction with the substrate. Besides, we consider asymmetry in the mass distribution of the bacteria along their length. These two new modelling assumptions allow us to retrieve mechanical behaviours of micro-colony growth without the need of interaction such as attraction. We compare our model to various sets of experiments, discuss our results, and propose several quantifiers to compare model to data in a systematic way.

연구 동기 및 목표

• 막대 모양의 박테리아에서 초기 미세집단 형체 발생에 필요한 최소한의 기계적 상호작용을 이해하기 위해.
• 실험적으로 관찰된 형태, 예를 들어 기장된 형태와 네 세포 배열을 재현하기 위해 당김력이 필수적인지 조사하기 위해.
• 겹침 방지 조건과 마찰 및 질량 분포의 비대칭성에 기반한 최소한의 기계적 모델을 개발하기 위해.
• 모델 출력과 실험 데이터를 비교하기 위한 체계적인 측정 지표를 제안하기 위해.
• 미세집단 형태와 세포 정렬에 대한 실험 관찰과의 일치를 검증하기 위해.

제안 방법

• 모델은 각 박테리아를 길이 방향으로 비대칭 질량 분포를 가진 구형통으로 표현하는 개인 기반 프레임워크를 사용한다.
• 겹침 방지 조건은 허츠 반발력을 통해 강제로 유지되어 박테리아 간의 물리적 겹침을 방지한다.
• 막대 모양의 박테리아 양단에서 다른 마찰 계수를 모델링하여 비대칭 마찰을 도입한다.
• 질량 분포의 비대칭성은 박테리아의 양극에 다른 질량 밀도를 할당하여 회전 및 이동 역학에 영향을 주도록 통합한다.
• 모델은 2차원 기질 위에서 박테리아의 성장과 분열을 시뮬레이션하며, 기계적 제약 조건만을 기반으로 세포가 분열하고 이동한다.
• 특정 형태학적 지표, 예를 들어 기장도 비율과 네 세포 배열 형성 확률 등을 사용하여 실험과의 정량적 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 단계의 막대 모양 박테리아 미세집단의 기장된 형태가 당김력이나 자식 세포 연결 없이 재현될 수 있는가?
• RQ2 박테리아 극에서의 비대칭 마찰이 미세집단의 조직화와 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 막대 축을 따라 질량 비대칭성이 방향성 성장과 형체 발생에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 실험적으로 관찰된 네 세포 배열을 재현하기 위해 필요한 최소한의 기계적 상호작용는 무엇인가?
• RQ5 겹침 방지 조건과 비대칭성을 가진 순수 기계적 모델이 화학적 또는 점착성 당김력이 필요한 모델보다 미세집단 형체 발생을 더 잘 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 당김력이나 자식 세포 연결이 전혀 필요 없이 실험에서 관찰된 기장된 형태의 미세집단을 성공적으로 재현한다.
• 박테리아 극에서의 비대칭 마찰은 방향성 성장과 미세집단의 이방성 형태를 이끄는 데 충분하다.
• 막대 축을 따라 질량 비대칭성이 분열 후 딸 세포의 안정적 정렬과 조직화에 기여하여 네 세포 배열 형성에 기여한다.
• 비대칭 마찰 조건에서 네 세포 배열 형성 확률이 높아질 것으로 모델이 예측하며, 이는 실험 관찰과 일치한다.
• 형태학적 지표를 사용한 정량적 비교에서 시뮬레이션된 결과와 실험 결과 사이에 양호한 일치가 나타난다.
• 연구는 기계적 제약 조건과 비대칭성만으로도 초기 미세집단 형체 발생의 핵심 특징을 설명할 수 있음을 입증하며, 모델링에서 복잡한 생화학적 신호 전달의 필요성을 줄인다.