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定量生物学 > 种群与进化

arXiv:2501.09546 (q-bio)
[提交于 2025年1月16日 ]

标题: 细菌增殖模式形成

标题: Bacterial proliferation pattern formation

Authors:John S. Chuang, Riccardo Rao, Stanislas Leibler
摘要: 细菌可以形成多种空间异质的细胞密度模式,从简单的同心环到在生长菌落中出现的动力学螺旋波。这些模式形成现象很重要,因为它们反映了细胞过程如代谢在异质化学环境中的运作方式。在实验室中,可以在简化的设置中研究它们,其中氧气和营养物质的空间梯度是外部施加的,细胞被固定在凝胶基质中。一个引人注目的例子是在这种设置中80多年前观察到的高细胞密度窄带的顺序形成,甚至在克隆群体中也是如此。然而,带形成动力学的关键方面仍然不清楚。通过时间延迟成像复制的透明柱在简化生长培养基中,我们首先量化了带形成定位和时间的精确性。我们还表明,不同带的出现和位置可以独立调节。这种“模块化”由不同带在基因表达上的差异所提示,并且由一个基于存在内部代谢状态和pH梯度诱导的理论模型所再现。最后,我们还可以通过引入损害特定代谢通路的遗传修饰来改变观察到的模式形成。我们认为,精确测量和控制的可能性,加上“增殖模式形成”现象的简单性和丰富性,可以使它成为研究细胞过程对异质环境反应的模型系统。
摘要: Bacteria can form a great variety of spatially heterogeneous cell density patterns, ranging from simple concentric rings to dynamical spiral waves appearing in growing colonies. These pattern formation phenomena are important as they reflect how cellular processes such as metabolism operate in heterogeneous chemical environments. In the laboratory, they can be studied in simplified set-ups, where spatial gradients of oxygen and nutrients are externally imposed, and cells are immobilized in a gel matrix. An intriguing example, observed in such set-ups over 80 years ago, is the sequential formation of narrow bands of high cell density, taking place even for a clonal population. However, key aspects of the dynamics of band formation remained obscure. Using time-lapse imaging of replicate transparent columns in simplified growth media, we first quantify the precision of the positioning and timing of band formation. We also show that the appearance and position of different bands can be modulated independently. This "modularity" is suggested by the observation that different bands differ in their gene expression, and it is reproduced by a theoretical model based on the existence of internal metabolic states and the induction of a pH gradient. Finally, we can also modify the observed pattern formation by introducing genetic modifications that impair selected metabolic pathways. In our opinion, the possibility of precise measurements and controls, together with the simplicity and richness of the "proliferation pattern formation" phenomenon, can make it a model system to study the response of cellular processes to heterogeneous environments.
评论: 12页(+20页SI文本),6图(+16页SI图)。将发表于PRX Life
主题: 种群与进化 (q-bio.PE) ; 适应性与自组织系统 (nlin.AO); 模式形成与孤子 (nlin.PS); 生物物理 (physics.bio-ph); 细胞行为 (q-bio.CB)
引用方式: arXiv:2501.09546 [q-bio.PE]
  (或者 arXiv:2501.09546v1 [q-bio.PE] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.09546
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Riccardo Rao [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 1 月 16 日 14:04:14 UTC (6,874 KB)
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