表型转换诱导枯草芽孢杆菌生物膜的分形形态

《Environmental Microbiology》：Phenotypic Switches Induce Fractal Morphology of Bacillus subtilis Biofilm

枯草芽孢杆菌生物膜受营养条件调控的表型切换影响其表面分形复杂度（D）和粗糙度（Ra），矩阵产生细胞促进各向异性生长导致表面异质性增加，而芽孢和游动细胞通过填补空隙和各向同性扩展降低复杂性。基于Monod动力学的代理模型验证了代谢依赖性表型转换驱动生物膜形态生成的机制。

　　

摘要

枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）生物膜的高度分布呈现出复杂的分形形态，这种形态受到细胞行为和环境因素的影响。虽然表型差异与生物膜的空间结构有关，但调控其表面形态的机制仍不明确。本研究结合实验和基于代理的模型，探讨了营养驱动的表型转换如何影响生物膜上表面的形态复杂性（分形维数 D）和异质性（粗糙度 Ra）。我们分析了不同营养浓度下的生物膜图像以量化其形态特征。该模型采用了Monod动力学模型，其中表型转换概率和机械相互作用取决于底物的可用性。结果表明，营养条件调节了表型比例，而产生基质的细胞促进了各向异性的生物膜生长，从而增强了表面异质性和形态复杂性。孢子填补了由非均匀细胞生长产生的空隙，这种行为与运动细胞的各向同性生长相结合，降低了生物膜的形态复杂性和异质性。当产生基质的细胞与其他两种表型达到平衡时，生物膜的形态复杂性和异质性达到峰值。该模型准确预测了实验结果，揭示了由代谢依赖性和营养扩散介导的表型转换驱动了生物膜的形态形成。这项工作将细胞分化与生物膜上表面的形态联系起来，加深了我们对生物膜在动态环境中适应性的理解。

图形摘要

营养驱动的表型转换调节了枯草芽孢杆菌生物膜的分形复杂性（D）和异质性（Ra）。产生基质的细胞促进了各向异性生长，增加了表面不规则性，而孢子和运动细胞通过填补空隙和各向同性扩展降低了 D 和 Ra。当产生基质的细胞与其他表型达到平衡时，形态复杂性达到峰值。该模型与实验结果一致，表明代谢依赖性的转换驱动了生物膜的形态形成。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

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