基质刚度决定新生生物膜的动力学与自组织

细菌的进化成功在于其能够在多样多样的生物力学环境中形成复杂的表面相关群落。然而，软质基质的顺应性——即其弹性变形能力——如何影响细菌细胞增殖为群落所形成的群落的动力学与自组织，仍知之�少。本文通过实验和生物力学建模，研究了细菌细胞在软质基质上形成 sessile 群落的扩张与自组织。通过在富养分的软琼脂垫上可视化生长中的细菌群落，捕捉到群落的动力学与时空结构，其中琼脂垫的弹性模量可调范围为 ~0.3 kPa 至 ~100 kPa。我们的结果表明，在群落尺度上，随着基质刚度的改变，扩散动力学和群落几何形状出现显著差异：软质基质促进形成具有层次结构的群落，根据群落边界的分形分析，显示出更高的边界粗糙度。相比之下，生长在硬质基质上的群落首先形成大型单层结构，随后发生单层至多层转变（MTMT），在 MTMT 时整体群落面积增加约 300%。一个简单的生物力学模型捕捉了不同尺度上有效阻力力的作用：软质基质上的更大阻力驱动群落早期垂直化，而较小的有效阻力延迟 MTMT，从而导致更大的群落面积。基于这些结果与生物力学见解，正在开发一个综合数据驱动的数值模型。我们的发现凸显了表面刚度在决定细菌细胞形成扩张性多尺度群落自组织方面的作用。