[논문 리뷰] Life in the coffee-ring: how evaporation-driven density gradients dictate the outcome of inter-bacterial competition

David Yanni, Arben Kalziqi외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 11.

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한 줄 요약

이 연구는 증발에 의해 유도되는 밀도 기울기로 인한 커피링 효과가 *Vibrio cholerae* 생물막 내 상호세균 경쟁 결과를 근본적으로 변화시킨다는 것을 입증한다. 실험과 확률적 세포자동기계 시뮬레이션을 통해, 낮은 밀도 내부에서는 경쟁에서 진압되는 균주가 높은 밀도의 고리 영역에서는 접촉 빈도 증가로 인해 승리함을 보여주며, 이는 물리적 힘이 미생물 공동체의 구조를 형성하는 방식이 생물학적 적합도를 초월할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

When a drop dries, it often leaves a ring-shaped stain through a ubiquitous phenomenon known as the coffee-ring effect. This also occurs when the liquid contains suspended microbes; evaporation leaves cells at higher concentrations in the ring than the drop interior. Using biofilm experiments and cellular automata simulations, we show that the physical structure created by the coffee-ring effect can dramatically alter the outcome of inter-bacterial competition. We experimentally study this effect using two strains of $ extit{Vibrio cholerae}$ that compete using a contact-dependent killing mechanism termed the type 6 secretion system. By creating a heterogeneous density profile, the coffee-ring effect changes the outcome of competition: the bacterial strain that wins in the low-density interior loses in the far denser ring. Through simulations parameterized with experimentally-determined density profiles, we recapitulate our experimental findings. We examine the role of a $ extit{V. cholerae}$ strain's frequency, its relative efficacy at killing competitors, and the initial concentration of cells in the droplet in determining the outcome of competition. By scaling from individual cellular interactions to overall changes in strain frequency, our work demonstrates how the coffee-ring effect plays a powerful role in structuring microbial communities, indirectly driving ecological changes in community composition.

연구 동기 및 목표

• 물리적 힘, 특히 커피링 효과가 구조화된 미생물 공동체 내 상호세균 경쟁에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 증발에 의해 유도되는 세포 축적으로 인한 공간적 이질성이 *Vibrio cholerae* 균주 간의 경쟁 결과에 어떤 영향을 미치는지 규명하는 것.
• 초기 세포 농도, T6SS를 통한 살균 효능, 그리고 초기 빈도가 경쟁 결과를 어떻게 상호작용하는지 정량화하는 것.
• 실험적으로 측정한 밀도 프로파일을 기반으로 파arameter화한 확률적 세포자동기계 모델을 개발하고 검증하여 관찰된 경쟁 역학을 재현하는 것.
• 드롭렛 증발을 통한 미생물 집단의 물리적 구조화가 생물막 공동체의 간접적 생태적 및 진화적 변화를 어떻게 유도할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 형광으로 표지된 두 종류의 *V. cholerae* 균주(mKO-빨강, mTFP1-파랑)를 사용하여 접촉 의존적 살균을 T6세균 분비 시스템(T6SS)을 통해 수행한 실험을 실시하였다.
• 아가르 패드 위에 1 µL의 방울을 놓고 건조시킨 후 공성형 형광 현미경을 사용하여 경쟁의 공간적 패턴과 커피링 형성 상태를 관찰하였다.
• 미세망원도 영상에서 각도 평균을 통한 픽셀 강도 평균을 계산하여 초기 밀도 기울기를 정의하기 위해 반경 방향 세포 농도 프로파일을 정량화하였다.
• 각 세포가 8개의 이웃 세포와 상호작용하는 정사각형 격자 위에 2차원 확률적 세포자동기계 모델을 개발하였으며, T6SS 효능에 따라 살균 확률이 각각 $p_{rk}$ 또는 $p_{bk}$로 결정된다.
• 초기 비율($r_i$), 初기 농도, 상대 살균 효능($k_R = p_{rk}/p_{bk}$)을 변화시켜 시뮬레이션을 수행하였으며, 최종 빨간색 세포 비율 $r_f$를 결과 지표로 사용하였다.
• 시뮬레이션 결과를 시그모이드 로지스틱 함수 $r_f = \frac{1}{1 + e^{-\beta(r_i - r_i^*)}}$에 적합시켜, 빨간색 균주가 승리하기 위한 임계 초기 비율 $r_i^*$를 추정하였으며, 이는 다양한 농도에서 데이터의 통합 및 내삽을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 증발에 의해 유도되는 유속으로 인한 커피링 효과가 *Vibrio cholerae* 균주 간 상호세균 경쟁 결과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 건조 중 방울 내 세포의 初기 농도가, 균주 적합도와 무관하게 경쟁 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 두 균주의 상대 살균 효능과 초기 빈도 비율이 함께 최종 공동체 구성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 실험적으로 측정한 밀도 프로파일을 기반으로 파arameter화한 확률적 세포자동기계 모델이 커피링 구조 내에서 관찰된 경쟁 역학을 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ5 특히 높은 밀도의 고리 영역과 낮은 밀도의 내부 영역에서 국소 세포 밀도는 접촉 의존적 경쟁에서 세균 균주의 성패에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 낮은 밀도 내부에서는 진압되는 균주가 높은 밀도의 커피링 영역에서는 접촉 빈도 증가로 인해 항상 승리한다.
• 커피링 효과는 상황에 따라 달라지는 경쟁 결과를 만들어내며, 낮은 밀도에서는 승리하는 살균자가 고밀도 영역에서는 우세한 균주가 된다.
• 빨간색 균주가 승리하기 위한 임계 초기 비율 $r_i^*$는 초기 농도가 감소함에 따라 왼쪽으로 이동하며, 이는 뛰어난 살균자가 낮은 밀도 조건에서 더 큰 이점을 얻음을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과는 초기 농도가 감소함에 따라 소수의 변동성으로 인해 로지스틱 적합이 더 노이즈가 많아지며, 이는 대수의 법칙과 일치한다.
• $r_i^*$를 $k_R$ (상대 살균 효능)에 대해 그림으로 그릴 경우, 다양한 농도에서 데이터가 하나의 곡선으로 수렴되며, 이는 초기 세포 수와 무관한 보편적인 관계를 드러낸다.
• 로지스틱 곡선에 적합하여 유도된 모델의 예측 $r_i^*$ 값은 $r_f = 0.5$일 경우 시뮬레이션이 존재하지 않더라도 경쟁 결과를 정확하게 내삽 가능하게 하여 예측 능력을 향상시킨다.