[论文解读] Motility-induced buckling and glassy dynamics regulate three-dimensional transitions of bacterial monolayers

Sho C. Takatori, Kranthi K. Mandadapu|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2020

Plant and Biological Electrophysiology Studies参考文献 40被引用 14

一句话总结

本研究揭示，运动诱导的黏性应力与运动性铜绿假单胞菌单层中的动态压力通过一种速率依赖的屈曲机制驱动二维至三维转变；而高密度菌落则发生转变，进入动力学冻结的玻璃态，从而实现由内部成核驱动的独立三维生长。该研究建立了一个统一的动力学状态图，将运动性、密度与活性细菌系统中的三维形态发生联系起来。

ABSTRACT

Many mature bacterial colonies and biofilms are complex three-dimensional (3D) structures. One key step in their developmental program is a transition from a two-dimensional (2D) monolayer into a 3D architecture. Despite the importance of controlling the growth of microbial colonies and biofilms in a variety of medical and industrial settings, the underlying physical mechanisms behind single-cell dynamics, collective behaviors of densely-packed cells, and 3D complex colony expansion remain largely unknown. In this work, we explore the mechanisms behind the 2D-to-3D transition of motile Pseudomonas aeruginosa colonies; we provide a new motility-induced, rate-dependent buckling mechanism for their out-of-plane growth. We find that swarming of motile bacterial colonies generate sustained in-plane flows. We show that the viscous shear stresses and dynamic pressures arising from these flows allow cells to overcome cell-substrate adhesion, leading to buckling of bacterial monolayers and growth into the third dimension. Modeling bacterial monolayers as 2D fluid films, we identify universal relationships that elucidate the competition between in-plane viscous stresses, pressure and cell-substrate adhesion. Furthermore, we show that bacterial monolayers can exhibit crossover from swarming to kinetically-arrested, glassy-like states above an onset density, resulting in distinct 2D-to-3D transition mechanisms. Combining experimental observations of P. aeruginosa colonies at single-cell resolution, molecular dynamics simulations of active systems, and theories of glassy dynamics and 2D fluid films, we develop a dynamical state diagram that predicts the state of the colony, and the mechanisms governing their 2D-to-3D transitions.

研究动机与目标

• 理解驱动运动细菌单层中二维至三维转变的物理机制，特别是铜绿假单胞菌中的情况。
• 研究集体运动与细胞密度如何影响细菌菌落的动力学状态，区分运动相与玻璃相。
• 确定面内流动与黏性应力在实现面外屈曲与三维扩展中的作用。
• 构建一个可预测的动力学状态图，将菌落状态与二维至三维转变机制联系起来。
• 弥合实验观测、活性物质与玻璃态动力学的分子动力学模拟及理论模型之间的差距。

提出的方法

• 使用共聚焦显微镜实现单细胞分辨率，追踪在琼脂垫上生长的铜绿假单胞菌菌落中三维单层的转变过程。
• 利用野生型与非运动性 pilA 突变株，以分离运动性在三维生长动力学中的作用。
• 采用具有球柱形几何形状和 WCA 势的活性布朗粒子分子动力学模拟，以建模细胞-细胞与细胞-基底相互作用。
• 应用佩克莱特数（Pe = U₀τ_R/σ）量化活性，并表征从流体态到玻璃态的转变。
• 利用 PIVLab 与图像追踪分析面内速度场与动态异质性，以量化集体流动。
• 对二维流体薄膜进行理论建模，推导出黏性应力、压力与黏附能之间在屈曲过程中的普遍关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 运动细菌单层中二维至三维转变的物理机制是什么，特别是在运动性铜绿假单胞菌菌落中？
• RQ2 细胞密度如何调节细菌菌落的动力学状态？从运动相到动力学冻结的玻璃态的转变由什么触发？
• RQ3 由集体运动产生的面内黏性应力与动态压力在多大程度上能克服细胞-基底黏附力，从而引发屈曲？
• RQ4 运动菌落（边缘驱动）与高密度玻璃态菌落（内部驱动）的三维转变机制有何不同？
• RQ5 能否基于运动性与密度构建一个统一的动力学状态图，以预测菌落状态与转变机制？

主要发现

• 运动性铜绿假单胞菌菌落产生持续的面内流动，包括剪切流与挤压流，尤其在迁移前沿处，这些流动与面外转变的成核密切相关。
• 运动菌落中的面外转变发生的时间尺度远快于细胞分裂，表明其为一种与生长诱导屈曲不同的运动驱动机制。
• 在非运动性 pilA 突变株中，3D 转变仅发生在菌落内部且过程缓慢，与生长或分裂诱导的屈曲一致，与野生型运动菌落中快速、流动耦合的转变形成鲜明对比。
• 在高密度下，运动菌落发生向玻璃态、动力学冻结状态的转变，其特征为动态异质性与间歇性粒子运动，类似于过冷液体或压缩胶体。
• 在高密度玻璃态菌落中，二维至三维转变在内部成核，其机制与运动诱导屈曲不同，与静态系统中的已知屈曲现象一致。
• 对二维活性流体薄膜的理论模型揭示了面内黏性应力、动态压力与细胞-基底黏附能之间的普遍平衡关系，从而可预测屈曲的起始。