[논문 리뷰] Local polar order controls mechanical stress and triggers layer formation in developing Myxococcus xanthus colonies

Endao Han, Chenyi Fei외 5명|PubMed|2023. 08. 01.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 영양 결핍 상태에서 Myxococcus xanthus 집단에서의 국소 극성 질서가 확률적 세포 전복에 의해 유도되며, 이로 인해 기계적 응력 변동이 발생하고, 이는 기계적 층화와 열매줄기 형성으로 이어진다. 세포는 영양 결핍에 대응해 전복 빈도를 조절함으로써 극성 질서를 제어하여 단층 spreading에서 3차원 다세포 발달로의 전환을 이끈다.

ABSTRACT

Colonies of the social bacterium <i>Myxococcus xanthus</i> go through a morphological transition from a thin colony of cells to three-dimensional droplet-like fruiting bodies as a strategy to survive starvation. The biological pathways that control the decision to form a fruiting body have been studied extensively. However, the mechanical events that trigger the creation of multiple cell layers and give rise to droplet formation remain poorly understood. By measuring cell orientation, velocity, polarity, and force with cell-scale resolution, we reveal a stochastic local polar order in addition to the more obvious nematic order. Average cell velocity and active force at topological defects agree with predictions from active nematic theory, but their fluctuations are anomalously large due to polar active forces generated by the self-propelled rod-shaped cells. We find that M. xanthus cells adjust their reversal frequency to tune the magnitude of this local polar order, which in turn controls the mechanical stresses and triggers layer formation in the colonies.

연구 동기 및 목표

• 영양 결핍 유도 발달 중 Myxococcus xanthus에서 다세포 층 형성의 기계적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 비스테로이드 질서를 초월한 국소 극성 질서가 기계적 응력과 집단적 역학을 어떻게 유도하는지 조사하기 위해.
• 세포 전복 빈도가 극성 질서를 어떻게 조절하고, 그로 인해 박테리아 집단의 형태 전환을 어떻게 제어하는지 규명하기 위해.
• 극성 질서가 활성 스트레스 이론에서의 牵引力, 속도 변동 및 결함 유도 세포 유량에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 세포 방향, 속도 및 극성 변화를 추적하기 위해 시간 경과에 따른 밝은 필드 및 형광 현미경을 사용해 살아있는 M. xanthus 집단을 촬영하였다.
• 세포 방향 데이터를 기반으로 스트레스 이론의 비대칭 질서 매개변수 필드에서 위상 결함(±1/2)을 매핑하고, 그들이 세포 유량과 축적에 미치는 영향을 분석하였다.
• 변형 가능한 기질과 영상 상관 기술을 사용해 고해상도의 공간 및 시간 해상도로 세포 牽引力을 측정하였다.
• 전복 빈도가 극성 질서와 기계적 응력에 미치는 영향를 분리하기 위해 전복 가능한 야생형과 전복 불가능한 ΔfrzE 돌연변이주를 비교하였다.
• 세포 극성(p)과 속도(v)의 시간 자기상관 함수를 계산하여 상관 시간을 정량화하고 국소 극성 질서 강도를 추론하였다.
• 牽引力의 파wer 스펙트럼 밀도(PSD)를 분석하여 전복 유무에 따라 다른 파워 법칙 행동(f⁻¹.¹ 대비 f⁻²)을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소 극성 질서는 M. xanthus 집단에서 기계적 응력 변동과 층 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 세포 전복 빈도는 국소 극성 질서를 어떻게 조절하고 다세포 형태 발생을 유도하는가?
• RQ3 극성 질서와 스트레스 이론 질서가 함께 공존하고 상호작용하여 집단적 세포 역학과 결함 유도 유량을 어떻게 형성하는가?
• RQ4 전복 불가능한 돌연변이주는 평균 속도가 전복 가능한 세포와 유사한데도 왜 더 높은 층 형성 빈도를 보이는가?
• RQ5 전복 유무에 따라 다를 수 있는 牽引力 스펙트럼의 고유한 파워 법칙 스케일링 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 영양이 풍부한 조건에서 전복 불가능한 ΔfrzE 돌연변이주는 전복 가능한 야생형 세포보다 유의미하게 더 많은 다층 영역을 형성하여, 긴 전복 시간이 국소 극성 질서를 강화함을 시사한다.
• 세포 극성(τₚ)과 속도(τᵥ)의 상관 시간은 전복 가능한 세포에서 약 0.8분에서 전복 불가능한 세포에서 약 3.7분으로 증가하여, 후자의 경우 더 강한 국소 극성 질서를 확인한다.
• 유사한 평균 속도를 보이지만, 전복 불가능한 집단은 더 지속적인 유량과 더 강한 기계적 응력 변동을 생성하였으며, 牽引力 분포는 저주파수에서 더 긴 尾部를 보였다.
• 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 분석 결과, 전복 가능한 세포는 f⁻¹.¹ 파워 법칙을 보였고, 전복 불가능한 세포는 저주파수에서 f⁻²에 가까워지며, 이는 더 강한 장파장 응력 변동을 의미한다.
• +1/2 전하를 가진 위상 결함은 세포 유입을 유도하여 층 형성에 기여하였고, -1/2 전하를 가진 결함는 세포 유출과 구멍 형성을 유도하여 활성 스트레스 이론과 일치하였다.
• 본 연구는 세포 전복 시간이 극성 질서, 기계적 응력, 그리고 단층에서 3차원 열매줄기로의 형태 전환을 제어하는 조절 가능한 생물학적 스위치임을 규명하였다.