[论文解读] Radial and Spiral Stream Formation in <i>Proteus mirabilis</i> Colonies

Chuan Xue, Elena O. Budrene+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Micro and Nano Robotics参考文献 58被引用 46

一句话总结

本研究提出一种混合细胞模型，用以解释 *Proteus mirabilis* 菌落中辐射状和螺旋状流的形成机制，表明向内流动的泳动细胞通过趋化性响应自身产生的吸引物以及表面诱导的游泳偏置，形成复杂模式。该模型通过整合细胞运动与吸引物介导的信号传导及底物相互作用，再现了实验观察到的模式，包括辐射状和手性螺旋状流。

ABSTRACT

<div><p>The enteric bacterium <i>Proteus mirabilis</i>, which is a pathogen that forms biofilms <i>in vivo</i>, can swarm over hard surfaces and form a variety of spatial patterns in colonies. Colony formation involves two distinct cell types: swarmer cells that dominate near the surface and the leading edge, and swimmer cells that prefer a less viscous medium, but the mechanisms underlying pattern formation are not understood. New experimental investigations reported here show that swimmer cells in the center of the colony stream inward toward the inoculation site and in the process form many complex patterns, including radial and spiral streams, in addition to previously-reported concentric rings. These new observations suggest that swimmers are motile and that indirect interactions between them are essential in the pattern formation. To explain these observations we develop a hybrid model comprising cell-based and continuum components that incorporates a chemotactic response of swimmers to a chemical they produce. The model predicts that formation of radial streams can be explained as the modulation of the local attractant concentration by the cells, and that the chirality of the spiral streams results from a swimming bias of the cells near the surface of the substrate. The spatial patterns generated from the model are in qualitative agreement with the experimental observations.</p></div>

研究动机与目标

• 探究 *Proteus mirabilis* 菌落中辐射状与螺旋状流形成的机制，超越传统群体运动前沿模型。
• 确定菌落中心泳动细胞是否具有运动能力并能形成复杂多细胞模式。
• 检验假设：通过自身产生的吸引物实现的间接细胞间通讯驱动菌落内部的模式形成。
• 开发一种混合细胞模型，整合个体细胞行为与分泌吸引物的反应-扩散动力学。
• 通过泳动细胞的表面诱导游泳偏置解释螺旋流的手性。

提出的方法

• 混合细胞模型将个体泳动细胞的动力学与分泌吸引物的反应-扩散方程耦合。
• 细胞运动采用随机游走策略，方向更新基于转向核函数，并响应局部吸引物浓度的趋化性反应。
• 插值算子（Tgc）利用有限差分网格上的双线性插值，估算每个细胞感知到的吸引物浓度。
• 第二个插值算子（Tcg）根据空间接近度与面积占比，将细胞分泌的吸引物分配至周围网格点。
• 模型采用交替方向隐式（ADI）方法求解随时间演化的吸引物浓度反应-扩散方程。
• 在计算域上应用周期性边界条件，以模拟无限大或大规模菌落环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 *Proteus mirabilis* 菌落中，向内流动的泳动细胞是否可通过趋化性信号形成辐射状与螺旋状流？
• RQ2 自身产生的吸引物在组织菌落中心多细胞流模式中起何种作用？
• RQ3 表面诱导的游泳偏置如何促进手性螺旋流的形成？
• RQ4 为何在相同条件下，同心圆环与复杂流共存于同一菌落？
• RQ5 是否可在不假设非运动性泳动细胞的前提下，通过混合细胞模型再现观测到的实验模式？

主要发现

• 在 *Proteus mirabilis* 菌落中心的泳动细胞具有运动能力并朝内流动，形成辐射状与螺旋状流，挑战了仅泳动细胞具有运动能力的传统假设。
• 辐射状流的形成可通过细胞运动与分泌行为对局部吸引物浓度的调制来解释。
• 螺旋流的手性可通过引入表面诱导的游泳偏置进行预测，与实验中观察到的稳定手性一致。
• 在相同条件下，模型可再现与实验模式定性一致的特征，包括同心圆环、辐射状流与手性螺旋流。
• 模型支持假设：通过自身产生的吸引物实现的间接相互作用对菌落内部复杂模式形成至关重要。
• 实验中的氨基酸滴加实验证实，包括丙氨酸与精氨酸在内的多种氨基酸可作为 *Proteus mirabilis* 泳动细胞的吸引物。