[论文解读] A purely mechanical model with asymmetric features for early morphogenesis of rod-shaped bacteria micro-colony

Marie Doumic, Sophie Hecht+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Biocrusts and Microbial Ecology参考文献 41被引用 17

一句话总结

本文提出了一种纯粹基于机械作用的个体化模型，用于解释杆状细菌微菌落早期形态发生过程，其中细菌仅通过非重叠约束以及不对称的摩擦力/质量分布相互作用。通过引入摩擦力和质量的不对称性，该模型在无需吸引力的情况下重现了伸长的微菌落形态及四细胞排列，为实验中观察到的空间模式提供了最简化的机械解释。

ABSTRACT

To model the morphogenesis of rod-shaped bacterial micro-colony, several individual-based models have been proposed in the biophysical literature. When studying the shape of micro-colonies, most models present interaction forces such as attraction or filial link. In this article, we propose a model where the bacteria interact only through non-overlapping constraints. We consider the asymmetry of the bacteria, and its influence on the friction with the substrate. Besides, we consider asymmetry in the mass distribution of the bacteria along their length. These two new modelling assumptions allow us to retrieve mechanical behaviours of micro-colony growth without the need of interaction such as attraction. We compare our model to various sets of experiments, discuss our results, and propose several quantifiers to compare model to data in a systematic way.

研究动机与目标

• 理解杆状细菌早期微菌落形态发生所必需的最简机械相互作用。
• 探究是否需要吸引力来重现实验中观察到的形态，如伸长和四细胞排列。
• 开发一个仅基于非重叠约束以及摩擦和质量分布不对称性的最简机械模型。
• 提出系统性的量化指标，用于比较模型输出与实验数据。
• 验证该模型与微菌落形态及细胞组织的实验观察的一致性。

提出的方法

• 该模型采用个体化框架，其中每个细菌被表示为沿长度方向具有非对称质量分布的球柱体。
• 通过赫兹斥力强制实施非重叠约束，确保细菌之间无物理重叠。
• 通过在杆状细菌两端设置不同的摩擦系数，引入不对称摩擦。
• 通过为细菌的两个极点分配不同的质量密度，将质量分布的不对称性纳入模型，从而影响其转动和移动动力学。
• 模型在二维基底上模拟细菌的生长与分裂，细胞仅在机械约束下进行分裂与运动。
• 通过特定形态学指标（如伸长率和四细胞阵列形成概率）对模拟结果与实验数据进行定量比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无吸引力或子代连接的情况下，能否重现早期杆状细菌微菌落的伸长形态？
• RQ2 细菌极点处的不对称摩擦如何影响微菌落的组织结构与形态？
• RQ3 沿杆轴方向的质量不对称性在多大程度上促进定向生长与形态发生？
• RQ4 哪些最简机械相互作用足以重现实验中观察到的微菌落四细胞排列？
• RQ5 与依赖化学或黏附吸引力的模型相比，仅包含非重叠约束与不对称性的纯粹机械模型是否能更优地解释微菌落形态发生？

主要发现

• 该模型在无需任何吸引力或子代连接的情况下，成功重现了实验中观察到的微菌落伸长形态。
• 细菌极点处的不对称摩擦足以驱动定向生长并导致微菌落的形态各向异性。
• 沿杆轴的质量不对称性有助于分裂后子细胞的稳定对齐与组织，支持四细胞阵列的形成。
• 模型预测在不对称摩擦条件下，四细胞阵列的形成概率更高，与实验观察一致。
• 使用形态学指标进行的定量比较显示，模拟与实验的微菌落形态具有良好的一致性。
• 本研究表明，仅靠机械约束与不对称性即可解释早期微菌落形态发生的关键特征，从而减少了在建模中对复杂生化信号通路的依赖。