细菌在三维菌落中的生长
种群与进化
2017-11-01 v1
摘要
细菌种群的生长动力学已在充分搅拌的液体培养中对浮游细胞进行了广泛研究，其中所有细胞都能平等获取营养。在现实世界中，细菌更可能生活在具有物理结构的环境中，如菌落，在菌落内单个细胞获取营养的机会各异。此种条件下的细菌生长动力学知之甚少，且与液体培养不同，对于三维(3-d)菌落中生长的细菌种群，尚无广泛使用的标准数学模型。通过将经典的Monod资源限制种群生长模型扩展至允许细菌获取营养的空间异质性，我们开发了一个三维菌落模型，其中细菌消耗其周围的扩散营养物。通过追踪液体中和嵌入葡萄糖限制软琼脂中的大肠杆菌(E.coli)密度变化，我们评估了该模型与实验数据的拟合度。该模型解释了实验观察到的菌落中存在亚指数、扩散限制的生长阶段，而这在液体培养中不存在。该模型预测且我们的实验证实，由于菌落间对扩散营养的竞争以及细胞死亡，栖息地内菌落总数与所有这些菌落中个体细胞总数之间存在非单调关系。这项理论与实验相结合的研究揭示，在三维菌落内，大肠杆菌细胞排列疏松，并且菌落从等量营养中产生的细胞数量约为液体培养的2.5倍。我们的模型提供了三维细菌生长的基本描述，对其偏离可用于识别进一步促成细菌群落结构的表型异质性和细胞间相互作用。
引用
@article{arxiv.1605.01098,
title = {Growth of bacteria in 3-d colonies},
author = {Xinxian Shao and Andrew Mugler and Justin Kim and Ha Jun Jeong and Bruce Levin and Ilya Nemenman},
journal= {arXiv preprint arXiv:1605.01098},
year = {2017}
}