[论文解读] Modeling branching and chiral colonial patterning of lubricating bacteria

Eshel Ben‐Jacob, Inon Cohen+2 more|ArXiv.org|Mar 25, 1999

Slime Mold and Myxomycetes Research参考文献 70被引用 5

一句话总结

本文提出了一种通用建模框架，用于解释润滑性细菌中的分枝与手性群体模式，基于集体细胞行为、趋化信号传导以及细胞-表面相互作用的原理。该模型揭示了协作通信如何促成复杂形态的自组织形成，引入了一种新的手性生长模型和一种用于弱手性的度量方法，从而实现与实验结果的定量比较。

ABSTRACT

In nature, microorganisms must often cope with hostile environmental conditions. To do so they have developed sophisticated cooperative behavior and intricate communication capabilities, such as: direct cell-cell physical interactions via extra-membrane polymers, collective production of extracellular "wetting" fluid for movement on hard surfaces, long range chemical signaling such as quorum sensing and chemotactic (bias of movement according to gradient of chemical agent) signaling, collective activation and deactivation of genes and even exchange of genetic material. Utilizing these capabilities, the colonies develop complex spatio-temporal patterns in response to adverse growth conditions. We present a wealth of branching and chiral patterns formed during colonial development of lubricating bacteria (bacteria which produce a wetting layer of fluid for their movement). Invoking ideas from pattern formation in non-living systems and using ``generic'' modeling we are able to reveal novel survival strategies which account for the salient features of the evolved patterns. Using the models, we demonstrate how communication leads to self-organization via cooperative behavior of the cells. In this regard, pattern formation in microorganisms can be viewed as the result of the exchange of information between the micro-level (the individual cells) and the macro-level (the colony). We mainly review known results, but include a new model of chiral growth, which enables us to study the effect of chemotactic signaling on the chiral growth. We also introduce a measure for weak chirality and use this measure to compare the results of model simulations with experimental observations.

研究动机与目标

• 理解在不利条件下润滑性细菌形成复杂分枝与手性群体模式的机制。
• 研究协作行为（如胞外液体分泌和趋化信号传导）如何在群体水平上驱动模式形成。
• 开发一种通用模型，捕捉观察到的模式的显著特征，而无需依赖生物特异性参数。
• 引入一种用于弱手性的定量度量方法，以实现模型模拟与实验观测之间的比较。
• 展示个体细胞与群体之间的信息交换如何导致形态复杂性的涌现。

提出的方法

• 采用受非生命模式形成系统启发的通用建模方法，聚焦于集体动力学而非具体生物学细节。
• 引入细胞-表面相互作用以及润湿液体层的产生，以模拟运动性与表面定植。
• 将趋化信号传导作为方向性生长与模式演化的关键驱动力。
• 开发一种手性生长模型，通过非对称细胞相互作用来解释分枝结构中的手性特征。
• 基于模式几何中的空间不对称性，定义一种用于弱手性的定量度量方法，以实现与实验数据的比较。
• 使用数值模拟探索在不同信号传导与环境条件下复杂模式的涌现。

实验结果

研究问题

• RQ1 协作行为（如胞外液体分泌和趋化信号传导）如何导致润滑性细菌群体中分枝状群体模式的形成？
• RQ2 细菌群体中手性（手性）形态的出现机制是什么？如何实现其通用建模？
• RQ3 如何定义并应用弱手性的定量度量方法，以实现模拟模式与实验观测之间的比较？
• RQ4 长程化学信号与细胞间物理相互作用在群体自组织中所起的作用有多大？
• RQ5 个体细胞行为与群体形态之间的反馈回路在模式形成中扮演何种角色？

主要发现

• 该模型仅基于细胞通信与运动性的通用原则，成功再现了广泛实验观测到的分枝与手性群体模式。
• 研究表明趋化信号传导是引导手性结构形成的关键因素，模拟结果表明非对称信号可诱导手性特征。
• 引入弱手性的定量度量方法，使模拟结果与实验数据能够直接比较，验证了模型的预测能力。
• 结果表明，复杂形态源于个体细胞与群体之间的局部相互作用及反馈，凸显了通过信息交换实现的自组织。
• 该模型揭示，润湿液体的协作产生与集体基因激活通过促进高效表面定植，增强了在不利条件下的生存能力。
• 模拟结果表明，细胞运动性、信号范围与表面黏附之间的相互作用决定了分枝模式的尺度与复杂性。