[论文解读] Light-induced phase separation with finite wavelength selection in photophobic micro-algae

Isabelle Eisenmann, Alfredo L’Homme+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2024

Biocrusts and Microbial EcologyAgricultural and Biological Sciences被引用 3

一句话总结

本研究揭示，*Chlamydomonas reinhardtii* 的负趋光性可诱导光介导的相分离，在圆柱形几何结构中形成动态分叉图案，这是由于密度依赖的光屏蔽效应所致。漂移-扩散模型解释了该不稳定性，实验结果证实，这种集体行为通过减少高光条件下光系统II的损伤，保护细胞免受光抑制。

ABSTRACT

As for many motile micro-algae, the freshwater species Chlamydomonas reinhardtii can detect light sources and adapt its motile behavior in response. Here, we show that suspensions of photophobic cells can be unstable to density fluctuations, as a consequence of shading interactions mediated by light absorption. In a circular illumination geometry this mechanism leads to the complete phase separation of the system into transient branching patterns, providing the first experimental evidence of finite wavelength selection in an active phase-separating system without birth and death processes. The finite wavelength selection, that can be captured in a simple drift-diffusion framework, is a consequence of a vision-based interaction length scale set by the illumination geometry and depends on global cell density, light intensity and medium viscosity. Finally we show that this active phase separation shields individual cells from the deleterious effects of high light intensity, demonstrating that phototaxis can efficiently contribute to photoprotection through collective behaviors on short timescales.

研究动机与目标

• 探究 *Chlamydomonas reinhardtii* 的集体趋光性在强光条件下是否可导致自发相分离。
• 理解密集悬浮液中动态分叉图案出现的物理机制。
• 量化细胞密度、光强和介质黏度对图案形成与稳定性的影响。
• 评估这种集体行为在多大程度上可减轻光系统II的光抑制损伤。
• 构建并验证一个能捕捉实验动态的最小漂移-扩散模型。

提出的方法

• 在圆柱形容器中，对 *Chlamydomonas reinhardtii* 悬浮液在均匀、多光源照明下的时间序列成像，观察动态行为。
• 利用荧光基技术测量光强场，以绘制细胞吸收引起的光强空间变化。
• 通过广义高斯函数拟合实验测得的细胞密度分布，提取致密相的参数（厚度 h，宽度 w）。
• 构建一个漂移-扩散模型，其中细胞漂移速度取决于局部光强和细胞密度，并引入有限感知范围 Δx。
• 采用具有参数 K（漂移强度）、ν（扩散系数）和 p（非线性度）的拟经验模型，拟合不同细胞密度、光强和黏度条件下的实验数据。
• 通过将模拟的图案形成与相分离过程与实验观测进行对比，验证模型预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 微藻的负趋光性是否可因光吸收和密度依赖的屏蔽效应，导致自发相分离？
• RQ2 细胞密度、光强和介质黏度等全局参数如何影响所形成分叉图案的形态与稳定性？
• RQ3 这种集体行为在多大程度上可减少对单个细胞中光系统II的光损伤？
• RQ4 最小漂移-扩散模型能否定量再现观测到的相分离动力学与图案特征？
• RQ5 有限感知范围在将微小密度涨落放大为宏观结构方面起到何种作用？

主要发现

• 由于负趋光性与细胞光吸收的耦合，*Chlamydomonas reinhardtii* 悬浮液中自发形成致密、动态的分叉图案。
• 致密相的平均厚度（h）在不同总细胞数下保持恒定，表明图案形态与密度无关，h ≈ 120 μm（在最终液滴中测得）。
• 最终液滴面积与总细胞数呈线性关系，由此可提取致密相密度约为 ~1.5 × 10⁷ cells/mL。
• 参数为 K、ν 和 p（优化后 p ≈ 0.7）的模型成功捕捉了图案特征对细胞密度、光强和黏度的实验依赖性。
• 平均分支宽度与光强平方根的倒数成正比，与模型预测的漂移与扩散之间的平衡一致。
• 实验结果表明，致密相中光系统II的光抑制显著减少，证实集体行为在种群水平上提供了有效的光保护。