Flow-induced symmetry breaking in growing bacterial biofilms
Flow-induced symmetry breaking in growing bacterial biofilms
复制标题
生长的细菌生物膜中流动引起的对称性破坏
DOI：
10.1101/627208
复制
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
J. Dunkel
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
P. Pearce;Boya Song;Dominic J. Skinner;Rachel Mok;Raimo Hartmann;Praveen K. Singh;H. Jeckel;J. Oishi;K. Drescher;J. Dunkel
细菌生物膜是地球上微生物生命的一种主要形式，是一种典型的主动向列系统，其活性来自杆状细菌细胞的生长。在它们的自然环境中，从人体器官到工业管道，生物膜已经进化到在显著的流体剪切下健壮地生长。尽管有强烈的实践和理论兴趣，但尚不清楚强流体流动如何改变生物膜的局部和全局结构。在这里，我们将高时间分辨率的单细胞实时成像与3D多尺度建模相结合，以研究流动影响生长生物膜中所有单个细胞动力学的机制。我们的实验和基于细胞的模拟揭示了在强外部流中三个定量不同的生长阶段，以及它们之间的过渡。在生物膜发育的初始阶段，流动诱导细胞方向的下游梯度，导致不对称的液滴状生物膜形状。在发育后期，当大多数细胞被周围的细胞外基质所保护，不受流体的影响时，生物膜核心中弯曲诱导的细胞垂直化恢复了径向对称的生物膜生长，这与3D连续体模型的预测一致。
Bacterial biofilms represent a major form of microbial life on Earth and serve as a model active nematic system, in which activity results from growth of the rod-shaped bacterial cells. In their natural environments, ranging from human organs to industrial pipelines, biofilms have evolved to grow robustly under significant fluid shear. Despite intense practical and theoretical interest, it is unclear how strong fluid flow alters the local and global architectures of biofilms. Here, we combine highly time-resolved single-cell live imaging with 3D multi-scale modeling to investigate the mechanisms by which flow affects the dynamics of all individual cells in growing biofilms. Our experiments and cell-based simulations reveal three quantitatively different growth phases in strong external flow, and the transitions between them. In the initial stages of biofilm development, flow induces a downstream gradient in cell orientation, causing asymmetrical droplet-like biofilm shapes. In the later developmental stages, when the majority of cells are sheltered from the flow by the surrounding extracellular matrix, buckling-induced cell verticalization in the biofilm core restores radially symmetric biofilm growth, in agreement with predictions of a 3D continuum model.
登录
查看更多内容
分子马达控制细菌菌落的液体排序和融合动力学
影响因子：
8.6
作者：
Welker;Cronenberg;Zöllner;Siewering;Bender;Hennes;Oldewurtel
通讯作者：
Oldewurtel
影响因子：
44.1
作者：
Marchetti, M. C.;Joanny, J. F.;Simha, R. Aditi
通讯作者：
Simha, R. Aditi
影响因子：
3.4
作者：
Lecuyer, Sigolene;Rusconi, Roberto;Stone, Howard A.
通讯作者：
Stone, Howard A.
影响因子：
19.6
作者：
Beroz, Farzan;Yan, Jing;Wingreen, Ned S.
通讯作者：
Wingreen, Ned S.
影响因子：
5.4
作者：
O'Toole GA;Wong GC
通讯作者：
Wong GC