[論文レビュー] Viscosity independent diffusion mediated by death and reproduction in biofilms

Arben Kalziqi, Siu Lung Ng+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2019

Evolutionary Game Theory and Cooperation被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Vibrio choleraeバイオフィルムにおける細胞拡散が、熱運動ではなく細胞死と増殖による能動的プロセスによって駆動されること、また粘度に依存しないことを示している。実験、機械的シミュレーション、有効温度を用いた統計モデルを通じて、著者らは粘度が変化しても拡散係数が一定のままであることを示し、古典的ストークス＝アインシュタイン関係を覆し、バイオフィルムダイナミクスの新しい運動的メカニズムを明らかにした。

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.

研究の動機と目的

• 細胞が不動であるが、死滅と増殖を繰り返すバイオフィルムにおいて、粘度が細胞拡散に与える影響を調査すること。
• バイオフィルムにおける拡散運動が、粘度の増加に伴い拡散係数が低下することを予測する古典的ストークス＝アインシュタイン関係に従うかどうかを特定すること。
• 具体的には、増殖とリシス（細胞破壊）を含む能動的細胞プロセスが、機械的散逸に依存せずに集団的運動を駆動する役割を果たすかを検討すること。
• ボイガット＝ケルビン要素を用いたアクティブな応力揺らぎを考慮した、バイオフィルムダイナミクスの機械的モデルを構築し、実験的妥当性を検証すること。
• 細胞分裂およびリシス率から導出される有効温度を用いたランジュバン方程式に基づく統計的枠組みを確立し、観察された拡散係数を説明すること。

提案手法

• エクストラセルラー・マトリックス産生の程度を変化させることでバイオフィルムの粘度を調整した、相同な Vibrio cholerae 株を用いた実験（マトリックス＋対 マトリックス－）、これにより粘度が3倍の差が生じた。
• バイオフィルム内におけるトレーサービーズの追跡を共焦点顕微鏡で行い、拡散を測定。地形測定および機械的データと照合して妥当性を検証。
• 一般化されたストークス＝アインシュタイン関係を用いて、地形の揺らぎおよび機械的性質から平均拡散係数を抽出。
• 確率的死滅および増殖イベントを経験する1次元のボイガット＝ケルビン要素（スプリング・ダッシュポット系）の鎖としての機械的シミュレーション。
• ノイズ項が細胞活動率（分裂およびリシス）に比例するランジュバン型方程式を導出し、有効温度を導入。
• 出生およびリシスイベントに起因する応力揺らぎの理論的解析をスケルラム分布としてモデル化し、応力のランダムウォークが細胞の変位を駆動することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストークス＝アインシュタイン関係が予測するように、バイオフィルム内の細胞拡散は粘度に反比例するか？
• RQ2 不動の細胞が増殖と死滅を繰り返すバイオフィルムにおいて、拡散運動の起源は何か？
• RQ3 観察された粘度に依存しない拡散は、熱的フラクチュエーションではなく、細胞活動に基づく運動的モデルで説明可能か？
• RQ4 アクティブな応力源を有する粘弾性ネットワークの機械的モデルは、観察された拡散係数を再現できるか？
• RQ5 細胞分裂およびリシス率から導出される有効温度は、観察された拡散挙動をどの程度正確に説明できるか？

主な発見

• バイオフィルム内での細胞拡散係数は、粘度が3倍に増加しても一定のままであり、ストークス＝アインシュタイン関係の予測とは矛盾する。
• マトリックス＋バイオフィルムにおけるトレーサービーズの運動は、細胞の運動とは乖離しており、高粘度環境下ではビーズが細胞ダイナミクスを信頼性高く反映していないことが示された。
• 地形的測定および機械的測定を組み合わせ、一般化されたストークス＝アインシュタイン関係を用いることで、拡散係数が粘度に依存しないことが確認された。
• 確率的死滅および増殖イベントを伴うボイガット＝ケルビン鎖の機械的シミュレーションは、観察された粘度に依存しない拡散を再現した。
• 細胞分裂およびリシス率に比例するノイズ項を有するランジュバン方程式を用いた理論的モデリングにより、拡散係数が粘度に依存しないことが示された。
• ランジュバンモデルにおける有効温度は、細胞活動率に比例し、この枠組みはシミュレーションおよび実験の両方と定量的に一致した。