[논문 리뷰] The role of mechanical forces in the planar-to-bulk transition in growing Escherichia coli microcolonies

Matthew A. A. Grant, Bartłomiej Waclaw외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 14.

Biocrusts and Microbial Ecology인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 *E. coli* 미생물집단에서 2차원에서 3차원 성장으로의 전이를 규제하는 기계적 힘—특히 *E. coli* 세포와 아가르오즈 매트릭스 사이의 마찰력—이 어떻게 작용하는지를 조사한다. 실험, 현상학적 이론 및 개별 기반 시뮬레이션을 통해 저자들은 아가르오즈 농도에 따라 비단조화적인 마찰력이 전이 시점에서 관찰되는 비정상적인 식민 크기 피크를 설명함을 보여주며, 아가르오즈 농도에 따른 마찰 계수의 복잡한 의존성을 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 성장 중인 *E. coli* 미생물집단에서 평면형에서 부피형으로의 전이를 뒷받치는 기계적 힘을 이해하는 것.
• 기질의 탄성, 세포-세포 상호작용, 또는 매트릭스와의 마찰 중 어느 것이 전이 역학을 지배하는지 규명하는 것.
• 실험적으로 관측된 전이 시점의 식민 크기와 이론적 및 시뮬레이션 모델 간의 일치를 도모하는 것.
• 세균과 아가르오즈 사이의 마찰 계수의 농도 의존성을 예측하는 것.
• 부드러운 환경에서 복잡한 다세포 형태 형성 현상을 설명하는 최소 기계적 모델을 제공하는 것.

제안 방법

• 1.5%에서 3.5%까지 다양한 아가르오즈 농도에서 식민 크기, 세포 밀도 및 전이 위치를 측정한 실험.
• 미생물집단에 작용하는 수직 및 반경 방향의 눌림 힘을 모델링하는 현상학적 이론 개발.
• 변동하는 마찰 계수와 탄성 모odulus를 가진 개별 기반 스토케스틱 시뮬레이션.
• 반경 방향 눌림 및 세포 가장자리에 작용하는 마찰력의 시뮬레이션; 허츠 접촉 법칙과 점성 저항 법칙에서 유도된 힘 법칙 사용.
• 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션된 식민 면적, 침입 거리 및 전이 시점의 세포 밀도를 아가르오즈 농도 전역에서 분석.
• 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 일치시키기 위한 파라미터 피팅을 통해 마찰 계수가 아가르오즈 농도에 따라 비단조화적으로 의존함을 예측함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원에서 3차원 성장으로의 전이를 이끄는 기계적 힘은 무엇인가?
• RQ2 아가르오즈 농도는 평면형에서 부피형 전이 시점에서 식민 크기와 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 아가르오즈에 의한 반경 방향 눌림 힘과 세포-아가르오즈 간 마찰력 중 어느 것이 전이에 지배적인가?
• RQ4 조정 가능한 마찰력을 가진 최소 기계적 모델이 실험적으로 관측된 비단조화적인 전이 시점의 식민 크기를 재현할 수 있는가?
• RQ5 *E. coli* 세포와 아가르오즈 사이의 마찰 계수의 농도 의존성은 무엇으로 예측되는가?

주요 결과

• 평면형에서 부피형으로의 전이 시점에서 식민 면적은 아가르오즈 농도에 따라 비단조화적인 의존성을 보이며, 약 2.5%에서 최대치를 보인다.
• 실험 데이터는 전이 시점에서 식민 크기의 피크를 보이며, 이는 마찰 계수가 일정하거나 단조롭게 변화하는 시뮬레이션에서는 재현되지 않는다.
• 실험적으로 관측된 피크를 재현하기 위해 속도에 의존하지 않는 마찰력을 사용한 시뮬레이션은 아가르오즈 농도 증가에 따라 증가하다가 감소하는 비단조화적인 마찰 계수가 필요하다는 것을 보여준다.
• 아가르오즈에 의한 반경 방향 눌림은 데이터를 설명하기에 부족하며, 전이 시점 결정에 마찰력이 눌림 힘보다 지배적이다.
• 속도에 의존하는 마찰 모델은 정적 마찰 모델과 유사한 결과를 도출하지만 실험 데이터와의 일치는 약간 떨어진다.
• 본 연구는 *E. coli*와 아가르오즈 사이의 마찰 계수가 아가르오즈 농도에 따라 비단조화적으로 변화해야 관측 결과와 일치함을 예측한다.