生长细菌菌落中微域的几何与力学

细菌菌落大量存在于生物和非生物表面，并已知在生态、医学和工业中介导广泛的过程。尽管从单细胞到群体规模已被广泛研究，但突出细胞到菌落动力学的综合生物力学图景仍然缺乏。在此，利用分子动力学模拟和连续介质建模，我们研究了在具有自由边界的基底上生长的细菌菌落的几何和力学性质，并证明这种扩张的菌落自组织成由高度排列细胞构成的微域“马赛克”。微域的出现由两种竞争力介导：相邻细胞间的空间位阻力（有利于细胞排列）和由于细胞生长产生的拉伸应力（倾向于降低局部取向序从而扭曲系统）。这种相互作用导致域面积呈指数分布，并设定了一个特征长度尺度，其与系统取向刚度与拉伸活性应力大小之比的平方根成正比。我们的理论预测最终与自由生长的大肠杆菌（E. coli）微菌落实验相比较，发现了定量一致。