[논문 리뷰] Viscosity independent diffusion mediated by death and reproduction in biofilms

Arben Kalziqi, Siu Lung Ng외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 05.

Evolutionary Game Theory and Cooperation인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 V. cholerae 생물막에서 세포 확산이 열운동이 아닌 세포 사망과 증식에 의해 유도되는 능동적 과정에 의해 점도와 무관하다는 것을 입증한다. 실험, 기계적 시뮬레이션, 그리고 효과적 온도를 포함한 통계 모델을 통해 저자들은 다양한 점도에서도 확산도가 일정하게 유지됨을 보이며 고전적 스토크스-아인슈타인 관계를 도전하고, 생물막 동역학의 새로운 운동 기작을 규명한다.

ABSTRACT

Bacterial biofilms, surface-attached communities of cells, are in some respects similar to colloidal solids; both are densely packed with non-zero yield stresses. However, unlike non-living materials, bacteria reproduce and die, breaking mechanical equilibrium and inducing collective dynamic responses. We report experiments and theory investigating the motion of immotile Vibrio cholerae, which can kill each other and reproduce in biofilms. We vary viscosity by using bacterial variants that secrete different amounts of extracellular matrix polymers, but are otherwise identical. Unlike thermally-driven diffusion, in which diffusivity decreases with increased viscosity, we find that cellular motion mediated by death and reproduction is independent of viscosity over timescales relevant to bacterial reproduction. To understand this surprising result, we use two separate modeling approaches. First we perform explicitly mechanical simulations of one-dimensional chains of Voigt-Kelvin elements that can die and reproduce. Next, we perform an independent statistical approach, modeling Brownian motion with the classic Langevin equation under an effective temperature that depends on cellular division rate. The diffusion of cells in both approaches agrees quite well, supporting a kinetic interpretation for the effective temperature used here and developed in previous work. As the viscoelastic behavior of biofilms is believed to play a large role in their anomalous biological properties, such as antibiotic resistance, the independence of cellular diffusive motion --- important for biofilm growth and remodeling --- on viscoelastic properties likely holds ecological, medical, and industrial relevance.

연구 동기 및 목표

• 세포가 정지해 있지만 사망과 증식을 겪는 생물막에서 점도가 세포 확산에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 생물막에서의 확산 운동이 점도가 증가함에 따라 확산도가 감소하는 것으로 예측하는 고전적 스토크스-아인슈타인 관계를 따르는지 확인하는 것.
• 특히 증식과 세포 용해에 의해 유도되는 능동적 세포 과정이 기계적 소산과 무관하게 집단 운동을 이끄는 역할을 하는지 탐구하는 것.
• 활성 스트레스 변동을 고려한 Voigt-Kelvin 요소를 사용하여 생물막 동역학의 기계적 모델을 수립하고 검증하는 것.
• 세포 분열과 세포 용해 속도에서 유도된 효과적 온도를 사용한 랑주반 방정식 기반의 통계 프레임워크를 수립하여 관측된 확산도를 설명하는 것.

제안 방법

• 외부 기질 생산 능력이 다른 유전자형 동일한 V. cholerae 주재를 사용하여 생물막 점도를 조절(기질+ 대비 기질-), 이로 인해 점도가 3배로 변화하는 실험.
• 생물막 내 트레이서 비드의 이동을 공진원형 현미경으로 추적하여 확산도를 측정하고, 지형 측정 및 기계적 데이터로 검증.
• 일반화된 스토크스-아인슈타인 관계를 사용하여 지형 변동 및 기계적 성질에서 평균 확산도를 추출.
• 무작위 사망 및 증식 사건을 겪는 Voigt-Kelvin 요소(스프링-다스퍼 시스템)의 일차원 기계적 시뮬레이션.
• 소음 항목이 세포 활동(분열 및 세포 용해) 속도에 비례하는 랑주반 유사 방정식을 유도하고, 효과적 온도를 도입.
• 출생 및 세포 용해 사건으로부터 발생하는 스트레스 변동의 이론적 분석을 수행하며, 이는 스켈람 분포로 모델링되며, 스트레스의 랜덤 워크가 세포 이동을 유도함을 밝힘.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스토크스-아인슈타인 관계가 예측하는 바와 같이 생물막에서 세포 확산이 점도에 반비례하는가?
• RQ2 정지해 있는 세포가 증식과 사망을 반복하는 생물막에서 확산 운동의 근원은 무엇인가?
• RQ3 관측된 점도에 의존하지 않는 확산은 열운동이 아닌 세포 활동 기반의 운동 기작으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 활성 스트레스 원천이 있는 점탄성 네트워크의 기계적 모델이 관측된 확산도를 재현할 수 있는가?
• RQ5 세포 분열 및 세포 용해 속도에서 유도된 효과적 온도가 관측된 확산 행동을 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 생물막 내 세포 확산도는 점도가 3배로 증가하더라도 일정하게 유지되며, 이는 스토크스-아인슈타인 예측과 정면으로 배치된다.
• 기질+ 생물막에서 트레이서 비드의 운동은 세포의 운동과 다름을 보이며, 이는 높은 점도 환경에서 비드가 세포 동역학을 신뢰성 있게 반영하지 못함을 시사한다.
• 지형 측정 및 기계적 성질을 조합한 일반화된 스토크스-아인슈타인 관계를 통해 확산도가 점도에 영향을 받지 않음이 확인된다.
• 무작위 사망 및 증식 사건을 겪는 Voigt-Kelvin 체인의 기계적 시뮬레이션은 관측된 점도에 의존하지 않는 확산을 재현한다.
• 세포 분열 및 세포 용해 속도에 비례하는 소음 항을 포함한 랑주반 방정식을 사용한 이론적 모델링은 점도에 영향을 받지 않는 확산도를 도출한다.
• 랑주반 모델의 효과적 온도는 세포 활동 속도에 비례하며, 이 프레임워크는 시뮬레이션과 실험 결과를 정량적으로 잘 일치시킨다.