[论文解读] The role of mechanical forces in the planar-to-bulk transition in growing Escherichia coli microcolonies

Matthew A. A. Grant, Bartłomiej Waclaw+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2014

Biocrusts and Microbial Ecology被引用 7

一句话总结

本研究探讨了机械力——特别是大肠杆菌细胞与琼脂糖基质之间的摩擦力——如何调控微菌落从二维到三维生长的转变。通过实验、现象学理论和个体基模拟，作者表明，琼脂糖浓度下摩擦力的非单调性解释了过渡处菌落尺寸的非平凡峰值，预测了摩擦系数与琼脂糖浓度之间的复杂依赖关系。

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.

研究动机与目标

• 理解生长中的大肠杆菌微菌落中平面到体相转变的机械力机制。
• 确定基底弹性、细胞-细胞相互作用或与基质的摩擦力中哪一者主导转变动力学。
• 将实验观察到的过渡时菌落尺寸与理论及模拟模型相协调。
• 预测大肠杆菌与琼脂糖之间摩擦系数的浓度依赖行为。
• 提供一个最小机械模型，以解释软环境中复杂多细胞形态发生。

提出的方法

• 在琼脂糖浓度（1.5% 至 3.5%）变化的条件下，测量菌落面积、细胞密度和过渡位置的实验。
• 建立现象学理论，模拟琼脂糖对微菌落施加的垂直和径向压缩力。
• 采用可变摩擦系数和弹性模量的个体基随机模拟，对微菌落生长进行模拟。
• 模拟作用于外围细胞的径向压缩力和摩擦力，力定律基于赫兹接触和黏性阻力推导。
• 将模拟得到的菌落面积、入侵距离和过渡时细胞密度与不同琼脂糖浓度下的实验数据进行比较。
• 通过参数拟合使模拟输出与实验数据匹配，从而预测摩擦系数与琼脂糖浓度之间存在非单调依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么机械力驱动大肠杆菌微菌落从二维向三维生长的转变？
• RQ2 琼脂糖浓度如何影响微菌落在平面到体相转变时的大小和形态？
• RQ3 来自琼脂糖的径向压缩力还是细菌与琼脂糖之间的摩擦力在转变中占主导地位？
• RQ4 一个具有可调摩擦力的最小机械模型能否再现实验观察到的过渡时菌落尺寸的非单调性？
• RQ5 大肠杆菌与琼脂糖之间摩擦系数的浓度依赖性预测为何？

主要发现

• 在平面到体相转变时，菌落面积对琼脂糖浓度表现出非单调依赖关系，在约2.5%琼脂糖时达到峰值。
• 实验数据显示，过渡时菌落尺寸存在峰值，而该峰值无法通过模拟中恒定或单调变化的摩擦系数再现。
• 为匹配实验观察到的峰值，模拟中采用与速度无关的摩擦系数时，必须引入随琼脂糖浓度先增后减的非单调摩擦系数。
• 仅靠琼脂糖引起的径向压缩力不足以解释实验数据；摩擦力在决定过渡点方面占主导地位，超过压缩力。
• 速度依赖性摩擦力模型的结果与静态摩擦力模型相似，但与实验数据的吻合度略差。
• 本研究预测，大肠杆菌与琼脂糖之间的摩擦系数必须随琼脂糖浓度非单调变化，才能与观测结果一致。