枯草芽孢杆菌生物膜在MSgg琼脂培养基上的振荡性生长

《Antonie van Leeuwenhoek》：Oscillatory expansion of Bacillus subtilis biofilms on MSgg agar medium

本研究通过调节营养谷氨酸浓度和琼脂浓度探究了枯草芽孢杆菌生物膜的振荡扩展规律，发现高谷氨酸促进初期生长并延长振荡周期，高琼脂抑制扩张并稳定振荡幅度。竞争环境下周期延长并导致形态不对称，自愈过程中边缘恢复更快。基于代谢的空间时间模型验证了营养供应与物理异质性共同驱动振荡的机制。

　　

摘要

我们通过调节营养物质谷氨酸的浓度以及通过改变琼脂浓度来调整表面的硬度，研究了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）生物膜在最小盐分（甘油-谷氨酸，MSgg）琼脂上的振荡性生长。谷氨酸和琼脂的浓度影响了生物膜振荡的参数。具体来说，较高的谷氨酸水平提高了初始生长速率（在最初的15小时内），并延长了振荡周期。相反，增加琼脂浓度会物理上限制菌落的扩展，并减弱生长速率变化的幅度，从而导致更加均匀但仍然具有振荡性的生长过程。除了改变物理化学环境外，我们还在竞争条件下研究了生物膜的行为；振荡周期变长，并导致菌落形态不对称。此外，在受到机械破坏后自我修复的过程中，振荡模式保持完整；生物膜得以再生，菌落边缘的恢复速度比中心快。为了验证这些实验观察结果，我们开发了一个生物膜代谢的时空模型。该计算模型成功模拟了在固体表面上的振荡生长现象。它证实了局部营养物质可用性与生物膜厚度物理异质性发展之间的相互作用是枯草芽孢杆菌生物膜中观察到的振荡模式的基本驱动因素，为我们的实证发现提供了统一的理论基础。

图形摘要

我们通过调节营养物质谷氨酸的浓度以及通过改变琼脂浓度来调整表面的硬度，研究了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）生物膜在最小盐分（甘油-谷氨酸，MSgg）琼脂上的振荡性生长。谷氨酸和琼脂的浓度影响了生物膜振荡的参数。具体来说，较高的谷氨酸水平提高了初始生长速率（在最初的15小时内），并延长了振荡周期。相反，增加琼脂浓度会物理上限制菌落的扩展，并减弱生长速率变化的幅度，从而导致更加均匀但仍然具有振荡性的生长过程。除了改变物理化学环境外，我们还在竞争条件下研究了生物膜的行为；振荡周期变长，并导致菌落形态不对称。此外，在受到机械破坏后自我修复的过程中，振荡模式保持完整；生物膜得以再生，菌落边缘的恢复速度比中心快。为了验证这些实验观察结果，我们开发了一个生物膜代谢的时空模型。该计算模型成功模拟了在固体表面上的振荡生长现象。它证实了局部营养物质可用性与生物膜厚度物理异质性发展之间的相互作用是枯草芽孢杆菌生物膜中观察到的振荡模式的基本驱动因素，为我们的实证发现提供了统一的理论基础。

图形摘要