Electrical Signalling in Three Dimensional Bacterial Biofilms Using an Agent Based Fire-Diffuse-Fire Model
Electrical Signalling in Three Dimensional Bacterial Biofilms Using an Agent Based Fire-Diffuse-Fire Model
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使用基于代理的火-扩散-火模型的三维细菌生物膜中的电信号传导
DOI：
10.1101/2023.11.17.567515
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Carneiro Da Cunha Martorelli V
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Carneiro Da Cunha Martorelli V
基于代理的模型用于在三个维度上描述细菌生物膜中的电信号传导。具体来说，根据实验数据对大肠杆菌生物膜中受到蓝光应激的钾离子的波前进行了建模。仅当生物膜生长超过阈值大小时才会发生电信号传导，我们已证明该阈值大小随 K+ 离子扩散率和 K+ 离子阈值浓度而变化，从而在火-扩散-火模型中触发点火。传播波前的传输显示出随时间的超扩散缩放。 K+离子扩散率是影响波前速度的主要因素。 K+ 离子扩散率和激发阈值也会影响波前传播的异常指数，从而确定波前是亚扩散还是超扩散。研究了球形、圆柱形、立方体和蘑菇状结构的生物膜的几何形状及其与波前均方位移 (MSD) 作为时间函数的关系。 MSD 随几何形状变化显着；当钾波前离开生物膜时，会发生另一种动力学状态。在生物膜上添加圆柱形缺陷（已知大肠杆菌生物膜中会出现这种缺陷），波前 MSD 还具有用于穿过缺陷传播的额外动力学机制。
Agent based models were used to describe electrical signalling in bacterial biofilms in three dimensions. Specifically, wavefronts of potassium ions in E. coli biofilms subjected to stress from blue light were modelled from experimental data. Electrical signalling only occurs when the biofilms grow beyond a threshold size, which we have shown to vary with the K+ ion diffusivity and the K+ ion threshold concentration which triggered firing in the fire-diffuse-fire model. The transport of the propagating wavefronts shows super diffusive scaling on time. K+ ion diffusivity is the main factor that affects the wavefront velocity. The K+ ion diffusivity and the firing threshold also affect the anomalous exponent for the propagation of the wavefront determining whether the wavefront is sub diffusive or super-diffusive. The geometry of the biofilm and its relation to the mean square displacement (MSD) of the wavefront as a function of time was investigated for spherical, cylindrical, cubical and mushroom-like structures. The MSD varied significantly with geometry; an additional regime to the kinetics occurred when the potassium wavefront leaves the biofilm. Adding cylindrical defects to the biofilm, which are known to occur in E. coli biofilms, the wavefront MSD also had an extra kinetic regime for the propagation through the defect.
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