[論文レビュー] Shaping the Growth Behaviour of Bacterial Aggregates in Biofilms

Gavin Melaugh, Jaime Hutchison+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Bacterial biofilms and quorum sensing参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、機械的応力と栄養素の拡散がバイオフィルム内における細菌凝集体の成長ダイナミクスにどのように影響するかを調査するための計算モデルを開発した。空間的に明示的なエージェントベースの枠組みに機械的応力と栄養素の可用性を統合することで、著者らは凝集体の形態が主に栄養素勾配と機械的フィードバックによって規定されることを示した。その結果、機械的応力が凝集体の中心部で成長を抑制し、周辺への拡張を促進することが明らかになった。

ABSTRACT

Gavin Melaugh, Jaime Hutchison, Kasper Norskov Kragh, Yasuhiko Irie, 5 Aled Roberts, Thomas Bjarnsholt, 6 Steve P. Diggle, Vernita Gordon, and Rosalind Allen School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, James Clerk Maxwell Building, Peter Guthrie Tait Road, Edinburgh, EH9 3FD Center for Nonlinear Dynamics and Department of Physics, The University of Texas at Austin, Austin, Texas 78712-1199 Department of International Health, Immunology and Microbiology, Faculty Of Health Sciences, University of Copenhagen, DK-2200 Copenhagen School of Life Sciences, Centre for Biomolecular Sciences, University of Nottingham, University Park, Nottingham NG7 2RD Department of Biology & Biochemistry, University of Bath, Claverton Down, Bath BA2 7AY Department for Clinical Microbiology, University of Copenhagen, DK-2100 Copenhagen

研究の動機と目的

• バイオフィルム内における細菌凝集体の形態と成長ダイナミクスを決定する要因としての機械的応力と栄養素拡散の相乗的相互作用を理解すること。
• 3次元バイオフィルム構造内における細菌集団の空間的配置と増殖パターンに及ぼす機械的フィードバック機構の影響を調査すること。
• 遺伝的要因やシグナル伝達要因とは独立して、機械的応力が単独で細菌凝集体の形態的転移を引き起こす可能性があるかどうかを特定すること。
• 変動する環境条件下での細菌凝集体の顕在的成長行動を捉える予測モデルを構築すること。
• 栄養素の可用性が機械的応力の分布に与える影響と、凝集体の安定性および拡張への影響を明らかにすること。

提案手法

• バイオフィルムの構造を表す3次元ラティス内での個々の細菌細胞をシミュレートするため、空間的に明示的なエージェントベースモデルを構築した。
• 機械的応力を細胞密度と局所的な細胞体積変化の関数としてモデル化し、応力の蓄積が細胞の分裂および死滅率に影響することを想定した。
• 栄養素の拡散は反応拡散方程式を用いてシミュレートし、酸素や基質の可用性をバイオフィルム全体で表現した。
• 細胞の増殖は栄養素濃度と機械的応力の両方に制御され、高応力条件下では成長が抑制された。
• 細胞が互いに力を受け渡し、細胞-細胞および細胞-環境の相互作用を模倣できるように、機械的フィードバックをモデルに組み込んだ。
• 初期条件および環境パラメータを変化させたシミュレーションを実行し、モデルの頑健性と予測能力を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 栄養素勾配と機械的応力が、バイオフィルム内での細菌凝集体の成長および形態にどのように共同で影響を与えるか。
• RQ2 遺伝的制御とは独立して、機械的応力が単独で凝集体構造の変化を引き起こす程度はどの程度か。
• RQ3 機械的フィードバックが、凝集体中心部での成長抑制と周辺への拡張促進に果たす役割は何か。
• RQ4 栄養素の可用性と機械的応力の相互作用が、バイオフィルム構造の安定性および存続期間にどのように影響を与えるか。
• RQ5 本モデルは、異なる環境条件下で実験的に観察された凝集体の形態を予測できるか。

主な発見

• 機械的応力は細菌凝集体の中心部で細胞増殖を顕著に抑制し、栄養素が存在する状況でもネクロティックに似た領域が形成される。
• 凝集体の径方向拡張は、周辺部で圧縮応力が低減するための機械的応力の緩和によって主に駆動される。
• 本モデルは、栄養素および機械的条件を変化させた条件下でも、実験的に観察された凝集体形態（凝集的、不規則的、リング状）をうまく再現した。
• 栄養素勾配だけでは観察された成長パターンを説明できない。凝集体発達の正確な予測には機械的フィードバックが不可欠である。
• モデルは、機械的応力が栄養素駆動の成長シグナルを上回る可能性があると予測しており、特に高密度領域において、それがバイオフィルム構造の主要な調節因子であることが示された。
• シミュレーションでは、機械的フィードバックが凝集体形成の頑健性を高め、栄養素の変動にかかわらず安定した構造の維持を可能にした。