生物膜中由死亡与繁殖介导的与黏度无关的扩散
软凝聚态物质
2019-01-08 v1 生物物理
种群与进化
摘要
细菌生物膜是表面附着的细胞群落，在某些方面类似于胶体固体；二者均密集堆积且具有非零屈服应力。然而，与非生命材料不同，细菌会繁殖和死亡，打破力学平衡并引发集体动力学响应。我们报道了关于不能运动的霍乱弧菌在生物膜中相互杀死并繁殖的运动实验与理论研究。我们通过使用分泌不同量胞外基质聚合物但其他方面相同的细菌变体来改变黏度。与热驱动扩散中扩散系数随黏度增加而降低不同，我们发现由死亡和繁殖介导的细胞运动在细菌繁殖相关的时间尺度上与黏度无关。为理解这一令人惊讶的结果，我们采用两种独立的建模方法。首先，我们对可死亡和繁殖的一维 Voigt-Kelvin 元件链进行显式力学模拟。接着，我们采用独立的统计方法，在依赖于细胞分裂速率的有效温度下用经典 Langevin 方程对 Brownian 运动建模。两种方法中细胞的扩散吻合良好，支持了此处及先前工作中发展的有效温度的动力学解释。由于生物膜的黏弹性被认为在其异常生物学性质（如抗生素抗性）中起重要作用，细胞扩散运动（对生物膜生长和重塑十分重要）对黏弹性性质的独立性可能具有生态、医学和工业意义。
引用
@article{arxiv.1901.01350,
title = {Viscosity independent diffusion mediated by death and reproduction in biofilms},
author = {Arben Kalziqi and Siu Lung Ng and David Yanni and Gabi Steinbach and Brian K. Hammer and Peter J. Yunker},
journal= {arXiv preprint arXiv:1901.01350},
year = {2019}
}