[论文解读] Viscosity independent diffusion mediated by death and reproduction in biofilms

Arben Kalziqi, Siu Lung Ng+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2019

Evolutionary Game Theory and Cooperation被引用 4

一句话总结

本研究表明，霍乱弧菌生物膜中的细胞扩散与粘度无关，其驱动力是细胞死亡与增殖等主动过程，而非热运动。通过实验、力学模拟及基于有效温度的统计模型，作者发现扩散系数在不同粘度下保持恒定，挑战了经典的斯托克斯-爱因斯坦关系，并揭示了一种新型生物膜动力学机制。

ABSTRACT

Bacterial biofilms, surface-attached communities of cells, are in some respects similar to colloidal solids; both are densely packed with non-zero yield stresses. However, unlike non-living materials, bacteria reproduce and die, breaking mechanical equilibrium and inducing collective dynamic responses. We report experiments and theory investigating the motion of immotile Vibrio cholerae, which can kill each other and reproduce in biofilms. We vary viscosity by using bacterial variants that secrete different amounts of extracellular matrix polymers, but are otherwise identical. Unlike thermally-driven diffusion, in which diffusivity decreases with increased viscosity, we find that cellular motion mediated by death and reproduction is independent of viscosity over timescales relevant to bacterial reproduction. To understand this surprising result, we use two separate modeling approaches. First we perform explicitly mechanical simulations of one-dimensional chains of Voigt-Kelvin elements that can die and reproduce. Next, we perform an independent statistical approach, modeling Brownian motion with the classic Langevin equation under an effective temperature that depends on cellular division rate. The diffusion of cells in both approaches agrees quite well, supporting a kinetic interpretation for the effective temperature used here and developed in previous work. As the viscoelastic behavior of biofilms is believed to play a large role in their anomalous biological properties, such as antibiotic resistance, the independence of cellular diffusive motion --- important for biofilm growth and remodeling --- on viscoelastic properties likely holds ecological, medical, and industrial relevance.

研究动机与目标

• 研究粘度如何影响生物膜中细胞的扩散，其中细胞本身处于非运动状态，但经历死亡与增殖过程。
• 确定生物膜中的扩散运动是否遵循经典的斯托克斯-爱因斯坦关系，该关系预测扩散系数随粘度增加而减小。
• 探讨主动细胞过程（特别是增殖与裂解）在驱动与机械耗散无关的集体运动中的作用。
• 利用Voigt-Kelvin元件构建并验证生物膜动力学的力学模型，以模拟在主动应力波动下的黏弹性行为。
• 建立并验证一种基于分裂与裂解速率推导出的有效温度的统计框架，以解释观测到的扩散行为。

提出的方法

• 使用基因型一致的霍乱弧菌菌株，通过调节胞外基质的产生来调控生物膜粘度（基质+ vs. 基质-），实现三倍的粘度差异。
• 利用共聚焦显微镜追踪生物膜中示踪微球的运动以测量扩散系数，并通过地形测量与力学数据进行验证。
• 应用广义斯托克斯-爱因斯坦关系，从地形起伏与力学特性中提取平均扩散系数。
• 对一维Voigt-Kelvin元件链（弹簧-阻尼系统）进行力学模拟，其中元件经历随机的死亡与增殖事件。
• 推导出描述细胞运动的类似朗之万方程，其中噪声项与细胞活动速率（分裂与裂解）成正比，引入有效温度概念。
• 对由出生与裂解事件引起的应力涨落进行理论分析，建模为斯凯勒姆分布，导致应力的随机游走，从而驱动细胞位移。

实验结果

研究问题

• RQ1 生物膜中的细胞扩散是否如斯托克斯-爱因斯坦关系所预测的那样，与粘度成反比？
• RQ2 由非运动细胞经由增殖与死亡构成的生物膜中，扩散运动的来源是什么？
• RQ3 观测到的与粘度无关的扩散是否可由基于细胞活动而非热涨落的动能模型加以解释？
• RQ4 具有主动应力源的黏弹性网络力学模型在多大程度上能再现观测到的扩散系数？
• RQ5 基于细胞分裂与裂解速率推导出的有效温度在多大程度上可解释观测到的扩散行为？

主要发现

• 在粘度增加三倍的范围内，生物膜中细胞的扩散系数保持恒定，与斯托克斯-爱因斯坦关系的预测相悖。
• 在基质+生物膜中，示踪微球的运动偏离了细胞的实际运动，表明在高粘度环境中微球无法可靠反映细胞动力学。
• 结合地形与力学测量数据，并利用广义斯托克斯-爱因斯坦关系，证实扩散系数与粘度无关。
• 对包含随机死亡与增殖事件的Voigt-Kelvin链进行力学模拟，成功再现了观测到的与粘度无关的扩散行为。
• 基于噪声项与细胞分裂与裂解速率成正比的朗之万方程的理论建模，得出的扩散系数与粘度无关。
• 朗之万模型中的有效温度与细胞活动速率成正比，该理论框架在定量上与模拟结果和实验数据高度吻合。