[논문 리뷰] Motility-induced buckling and glassy dynamics regulate three-dimensional transitions of bacterial monolayers

Sho C. Takatori, Kranthi K. Mandadapu|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 12.

Plant and Biological Electrophysiology Studies참고 문헌 40인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 운동성 유도 점성 응력과 동적 압력이 군집성 Pseudomonas aeruginosa 단층에서 2차원에서 3차원으로의 전이를 속도 의존성 굽힘 메커니즘을 통해 이끌며, 고밀도 집단은 운동성 억제된 유리 상태로의 전이를 겪어 내부 핵형성에 의해 유도되는 3차원 성장을 가능하게 한다. 이 연구는 운동성, 밀도 및 3차원 형태 형성 간의 통합된 역학 상태도를 수립한다.

ABSTRACT

Many mature bacterial colonies and biofilms are complex three-dimensional (3D) structures. One key step in their developmental program is a transition from a two-dimensional (2D) monolayer into a 3D architecture. Despite the importance of controlling the growth of microbial colonies and biofilms in a variety of medical and industrial settings, the underlying physical mechanisms behind single-cell dynamics, collective behaviors of densely-packed cells, and 3D complex colony expansion remain largely unknown. In this work, we explore the mechanisms behind the 2D-to-3D transition of motile Pseudomonas aeruginosa colonies; we provide a new motility-induced, rate-dependent buckling mechanism for their out-of-plane growth. We find that swarming of motile bacterial colonies generate sustained in-plane flows. We show that the viscous shear stresses and dynamic pressures arising from these flows allow cells to overcome cell-substrate adhesion, leading to buckling of bacterial monolayers and growth into the third dimension. Modeling bacterial monolayers as 2D fluid films, we identify universal relationships that elucidate the competition between in-plane viscous stresses, pressure and cell-substrate adhesion. Furthermore, we show that bacterial monolayers can exhibit crossover from swarming to kinetically-arrested, glassy-like states above an onset density, resulting in distinct 2D-to-3D transition mechanisms. Combining experimental observations of P. aeruginosa colonies at single-cell resolution, molecular dynamics simulations of active systems, and theories of glassy dynamics and 2D fluid films, we develop a dynamical state diagram that predicts the state of the colony, and the mechanisms governing their 2D-to-3D transitions.

연구 동기 및 목표

• 운동성 박테리아 단층에서 2차원에서 3차원으로의 전이를 이끄는 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 집단적 운동성과 세포 밀도가 박테리아 집단의 역학 상태에 미치는 영향을 조사하여, 군집성과 유리 상태를 구분하기 위해.
• 평면 내 유동과 점성 응력이 평면 외 굽힘과 3차원 확장을 가능하게 하는 역할을 규명하기 위해.
• 운동성과 밀도에 기반해 집단 상태와 2차원에서 3차원으로의 전이 메커니즘을 예측할 수 있는 통합된 역학 상태도를 개발하기 위해.
• 실험 관찰, 분자 동역학 시뮬레이션, 활성 물질 및 유리 동역학 이론 모델 간의 다리를 놓기 위해.

제안 방법

• P. aeruginosa 집단을 아가르 패드에서 배양하고 단일 세포 해상도의 공형 현미경을 사용하여 3차원 단층 전이를 추적하기 위해.
• 운동성의 역할을 분리하기 위해 야생형 및 운동성 없는 pilA 돌연변이주를 사용하기 위해.
• 구형기둥 형상과 WCA 포텐셜을 갖는 활성 브라운 운동 입자를 모델링하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 활동도를 정량화하고 유체 유사 상태에서 유리 상태로의 전이를 특성화하기 위해 Péclet 수 (Pe = U₀τ_R/σ) 를 적용하기 위해.
• PIVLab와 영상 추적을 사용하여 평면 내 속도장과 동적 이질성을 분석하여 집단적 유동을 정량화하기 위해.
• 2차원 유체 필름의 이론적 모델링을 통해 점성 응력, 압력, 점착 에너지 간의 일반적 관계를 유도하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동성 박테리아 단층에서 2차원에서 3차원으로의 전이를 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇이며, 특히 군집성 P. aeruginosa 집단에서 어떻게 작용하는가?
• RQ2 세포 밀도는 박테리아 집단의 역학 상태에 어떻게 영향을 미치며, 군집성에서 유리 상태로의 전이를 유도하는 요인는 무엇인가?
• RQ3 집단적 운동성에 의해 생성된 평면 내 점성 응력과 동적 압력이 세포-기질 점착력을 극복하여 굽힘을 유도하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ4 군집성 집단(변두리 주도)과 고밀도 유리 집단(내부 주도) 간의 3차원 전이 메커니즘은 어떻게 다를까?
• RQ5 운동성과 밀도에 기반해 집단 상태와 전이 메커니즘을 예측할 수 있는 통합된 역학 상태도를 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 군집성 P. aeruginosa 집단은 지속적인 평면 내 유동, 특히 이동 전면에서의 단순 비틀림과 눌림 유동을 생성하며, 이는 평면 외 전이의 핵형성과 관련이 있다.
• 운동성 집단에서의 평면 외 전이는 세포 분열보다 훨씬 빠른 시간 스케일에서 발생하므로, 성장에 의한 굽힘과는 다름을 보여주며 운동성에 의해 유도된 메커니즘이다.
• 운동성 없는 pilA 돌연변이주에서는 3차원 전이가 오직 집단 내부에서만 발생하며 느리게 일어나며, 성장 또는 분열에 의한 굽힘과 일치하지만, 야생형 군집성 집단의 빠르고 유동 연계 전이와는 다름을 보인다.
• 고밀도에서 운동성 집단은 유리 상태로의 전이를 겪으며, 이는 동적 이질성과 간헐적인 입자 운동을 특징으로 하며, 초냉각된 액체나 압축된 콜로이드와 유사하다.
• 고밀도 유리 집단에서의 2차원에서 3차원으로의 전이는 내부에서 핵형성되며, 운동성 유도 굽힘과는 다를 바 있는 메커니즘을 통해 발생하며, 정적 시스템에서 알려진 굽힘 현상과 일치한다.
• 2차원 활성 유체 필름의 이론적 모델링을 통해 평면 내 점성 응력, 동적 압력, 세포-기질 점착 에너지 간의 일반적 균형을 규명하여 굽힘 발생 시점을 예측할 수 있다.