细菌菌落中的机械相互作用与有益突变的冲浪概率

诸如生物膜和微菌落之类的细菌聚集体在自然界中无处不在，并在工业和医学中发挥重要作用。与微生物研究中常规使用的充分混合、稀释培养物不同，微菌落中的细菌彼此之间以及与其附着的基底发生机械相互作用。尽管它们无处不在，但对于此类机械相互作用在微生物种群生长和生物进化中的作用知之甚少。在此，我们使用杆状细胞的微生物菌落计算机模型，研究细胞间的物理相互作用如何决定它们在菌落中的运动，这影响了生物进化。我们表明，生长更快的突变体在菌落前沿“冲浪”并创建宏观扇区的概率取决于细胞的物理属性（形状、弹性、摩擦）。尽管所有这些因子以看似不同的方式贡献于冲浪概率，它们最终都通过改变菌落扩张前沿的粗糙度和细胞的取向来显现其效应。我们的预测通过实验得到证实，实验中我们测量了具有不同前沿粗糙度的菌落的冲浪概率。我们的结果表明细菌细胞间的物理相互作用在新性状的生物进化中发挥重要作用，并提示这些相互作用可能与诸如抗生素抗性的从头进化等过程相关。