[논문 리뷰] Radial and Spiral Stream Formation in <i>Proteus mirabilis</i> Colonies

Chuan Xue, Elena O. Budrene외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 28.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 58인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 *Proteus mirabilis* 집단에서 방사형 및 나선형 스트림 형성 메커니즘을 설명하기 위해 하이브리드 세포 기반 모델을 제안한다. 내부로 향하는 수영 세포들이 자가 생성한 유인 물질을 향한 카이모타크시스와 표면 유도 수영 성향에 의해 복잡한 패턴을 형성함을 보여주며, 이 모델은 세포 운동성과 유인 물질 매개 신호전달 및 기질 상호작용을 결합함으로써 실험적 패턴, 즉 방사형 및 나비형 나선 스트림을 재현한다.

ABSTRACT

<div><p>The enteric bacterium <i>Proteus mirabilis</i>, which is a pathogen that forms biofilms <i>in vivo</i>, can swarm over hard surfaces and form a variety of spatial patterns in colonies. Colony formation involves two distinct cell types: swarmer cells that dominate near the surface and the leading edge, and swimmer cells that prefer a less viscous medium, but the mechanisms underlying pattern formation are not understood. New experimental investigations reported here show that swimmer cells in the center of the colony stream inward toward the inoculation site and in the process form many complex patterns, including radial and spiral streams, in addition to previously-reported concentric rings. These new observations suggest that swimmers are motile and that indirect interactions between them are essential in the pattern formation. To explain these observations we develop a hybrid model comprising cell-based and continuum components that incorporates a chemotactic response of swimmers to a chemical they produce. The model predicts that formation of radial streams can be explained as the modulation of the local attractant concentration by the cells, and that the chirality of the spiral streams results from a swimming bias of the cells near the surface of the substrate. The spatial patterns generated from the model are in qualitative agreement with the experimental observations.</p></div>

연구 동기 및 목표

• 기존의 수영 전면 모델을 넘어서 *Proteus mirabilis* 집단에서 방사형 및 나선형 스트림 형성의 메커니즘을 규명하기 위해.
• 집단 중심의 수영 세포가 이동 가능하고 복잡한 다세포 패턴을 형성할 수 있는지 확인하기 위해.
• 세포 간 간접적 상호작용이 자가 생성 유인 물질을 통해 형성된 패턴이 집단 내부에서 주도된다는 가설을 검증하기 위해.
• 개별 세포 행동과 분비 유인 물질의 반응-확산 역학을 통합하는 하이브리드 세포 기반 모델을 개발하기 위해.
• 이동 가능한 수영 세포에서 표면 유도 수영 성향이 나선형 스트림의 편향성(회전성)을 어떻게 유도하는지 설명하기 위해.

제안 방법

• 하이브리드 세포 기반 모델은 개별 수영 세포의 동역학과 분비 유인 물질에 대한 반응-확산 방정식을 결합한다.
• 세포 이동은 달리기-꼬리치기 전략을 사용하며, 방향 전환은 전환 커널과 국소 유인 물질 농도에 대한 카이모타크틱 반응에 기반한다.
• 인터폴레이션 연산자(Tgc)는 유한 차분 격자 위에서 이차형 보간을 사용하여 각 세포가 감지하는 유인 물질 농도를 추정한다.
• 두 번째 인터폴레이션 연산자(Tcg)는 공간적 근접도와 면적 비율에 기반하여 세포가 분비한 유인 물질을 주변 격점으로 분배한다.
• 반응-확산 방정식을 시간에 따라 풀기 위해 교차 방향 암시(ADI) 방법을 사용한다.
• 무한하거나 대규모 집단 환경을 시뮬레이션하기 위해 영역에 주기적 경계 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 *Proteus mirabilis* 집단에서 내부로 향하는 수영 세포가 카이모타크틱 신호전달을 통해 방사형 및 나선형 스트림을 형성할 수 있는가?
• RQ2 자기 생성 유인 물질이 집단 중심의 다세포 스트림 패턴을 조직화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 표면 유도 수영 성향이 나비형 나선 스트림 형성에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 동일한 조건에서 둥근 고리와 복잡한 스트림이 동시에 존재하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 비모터성 수영 세포를 가정하지 않고도 하이브리드 세포 기반 모델이 관측된 실험적 패턴을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• *Proteus mirabilis* 집단 중심의 수영 세포는 이동 가능하며 내부로 향하는 스트림을 형성하여, 기존에 수영 세포만 이동 가능하다는 가정을 뒤집는다.
• 방사형 스트림 형성은 세포의 이동과 분비로 인한 국소 유인 물질 농도 조절에 의해 설명된다.
• 나선형 스트림의 편향성은 표면 유도 수영 성향을 통합함으로써 예측 가능하며, 이는 실험적으로 관찰된 일관된 손가락 방향성과 일치한다.
• 모델은 동일한 조건에서 둥근 고리, 방사형 스트림, 나비형 나선을 포함한 실험적 패턴과 정성적으로 일치하는 결과를 재현한다.
• 모델은 자가 생성 유인 물질을 통한 간접적 상호작용이 집단 내부에서 복잡한 패턴 형성에 필수적이라는 가설을 지지한다.
• 실험적 아미노산 드롭 실험을 통해 알라닌과 아르기닌을 포함한 여러 아미노산이 *Proteus mirabilis* 수영 세포에 대해 유인 물질로 작용하는 것으로 확인되었다.