[论文解读] Defect dynamics in growing bacterial colonies

Rachel Los, Duco van Holthe tot Echten+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2020

Slime Mold and Myxomycetes Research被引用 7

一句话总结

本研究探究了生长中的杆状细菌菌落作为活性向列系统中的缺陷动力学，表明拓扑缺陷的生成速率与菌落指数增长速率相匹配，从而形成稳定的缺陷密度。该动力学受粒子长径比调控，并由于细菌的离散分裂与取向变化，缺陷位移大小的分布可用伽马分布精确描述。

ABSTRACT

Colonies of rod-shaped bacteria constitute a system of colloidal active matter with nematic properties. As a single initial bacterium multiplies through repeated divisions, the resulting colony quickly loses long-range orientational order, but retains locally ordered domains. At the boundaries of these domains, topological defects emerge, which move around randomly as the colony grows. In both experiments and simulations, we find that these defects are created at a rate that corresponds to the exponential growth of the colony, resulting in a stable defect density. Both this defect density and the colony's correlation length are regulated by the aspect ratio of the rod-shaped particles. Moreover, we find that the defect dynamics are well described by a Gamma distribution, which is due to repeated divisions and subsequent re-orientations of the bacteria.

研究动机与目标

• 理解拓扑缺陷在作为活性向列物质的生长细菌菌落中如何涌现与演化。
• 研究杆状细菌长径比在调控缺陷密度、关联长度及取向序中的作用。
• 确定缺陷的生成与运动是否遵循与细菌离散生长和分裂相关的统计规律。
• 将基于代理的模拟与连续流体动力学模型相衔接，以解释观测到的压力与速度分布。
• 阐明非平衡活性系统中缺陷超扩散运动与稳定缺陷密度背后的物理机制。

提出的方法

• 将杆状细菌建模为带有生长中空弹簧的球柱体，当达到最大长度时发生分裂。
• 在子细胞取向与分裂时间中引入随机噪声，以打破对称性并防止同步化。
• 使用基于代理的模拟追踪单个细菌，计算局部向列序，并在畴边界处识别拓扑缺陷。
• 利用统计分布（特别是伽马分布）分析缺陷动力学，以描述缺陷运动的步长。
• 建立包含细菌生长产生的主动力与黏性阻力的流体动力学模型，导出与 (R² - r²) 成正比的压力分布。
• 引入校正因子 α 和 β，以考虑模拟中与理想流体动力学行为的偏差，从而提高定量一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 缺陷生成速率如何随细菌菌落的指数增长而变化？
• RQ2 杆状细菌的长径比在多大程度上调控生长菌落中的缺陷密度与关联长度？
• RQ3 何种统计分布描述缺陷运动的步长？其背后的物理机制是什么？
• RQ4 离散的粒子层面动力学（分裂、重取向）如何导致缺陷的超扩散运动？
• RQ5 是否可通过引入校正因子的流体动力学模型定量再现模拟中观测到的压力与径向速度分布？

主要发现

• 缺陷的生成速率与菌落的指数增长成正比，从而在长时间内保持稳定的缺陷密度。
• 缺陷位移大小的分布符合伽马分布，表明反复的细菌分裂与取向变化驱动了缺陷的随机运动。
• 杆状细菌的长径比是调控缺陷密度与菌落关联长度的主要因素。
• 模拟显示压力分布呈二次型，当以菌落半径归一化后可实现塌缩，与解析预测 P(r,t) = (f^act/(2R₀) e^(-½βγt) + αkγ/4)(R₀² e^(βγt) - r²) 一致。
• 径向速度随距中心距离线性增加，其斜率与 γ 成正比，且存在校正因子 α，证实了流体动力学流动行为。
• 菌落半径随时间呈指数增长，R(t) = R₀ e^(½γt)，且模拟需引入校正因子 α 与 β 才能与观测到的生长与压力分布相匹配。