运动诱导屈曲与玻璃态动力学调控细菌单层的二维到三维转变

许多成熟的细菌菌落和生物膜是复杂的三维（3D）结构。其发育程序中的一个关键步骤是从二维（2D）单层向 3D 架构的转变。尽管在众多医疗与工业场景中控制微生物菌落和生物膜生长十分重要，但单细胞动力学、密集细胞的集体行为以及 3D 复杂菌落扩展背后的物理机制仍很大程度上未知。本工作中，我们探究了运动型铜绿假单胞菌菌落 2D 到 3D 转变背后的机制；我们提出了一种运动诱导的、依赖于速率的屈曲机制来解释其面外生长。我们发现运动型细菌菌落的 swarm 会产生持续的面内流动。我们表明，这些流动产生的黏性剪切应力与动压力使细胞能够克服细胞-基底黏附，从而导致细菌单层屈曲并向第三维生长。将细菌单层建模为 2D 流体薄膜，我们确定了阐明面内黏性应力、压力与细胞-基底黏附之间竞争的普适关系。此外，我们表明细菌单层在超过某一起始密度时会表现出从 swarm 到动力学受阻、类玻璃态的跨接，从而导致不同的 2D 到 3D 转变机制。结合铜绿假单胞菌菌落的单细胞分辨率实验观测、主动系统的分子动力学模拟，以及玻璃态动力学与 2D 流体薄膜理论，我们构建了一个动力学状态图，可预测菌落的状态及其 2D 到 3D 转变的调控机制。