Bacteria solve the problem of crowding by moving slowly

物理 僵局 菌毛 突变体 运动性 集体行为 工作(物理) 拥挤 集体运动 细胞生物学 生物 经典力学 遗传学 基因 政治 热力学 毒力 社会学 神经科学 人类学 法学 政治学
作者
Oliver J. Meacock,Amin Doostmohammadi,Kevin R. Foster,Julia M. Yeomans,William M. Durham
出处
期刊:Nature Physics [Springer Nature]
卷期号:17 (2): 205-210 被引量:95
标识
DOI:10.1038/s41567-020-01070-6
摘要

In systems as diverse as migrating mammals to road traffic, crowding acts to inhibit efficient collective movement. Bacteria, however, are observed to move in very dense groups containing billions of individuals without causing the gridlock common to other systems. Here we combine experiments, cell tracking and individual-based modelling to study the pathogen Pseudomonas aeruginosa as it collectively migrates across surfaces using grappling-hook like pili. We show that the fast moving cells of a hyperpilated mutant are overtaken and outcompeted by the slower moving wild-type at high cell densities. Using theory developed to study liquid crystals, we demonstrate that this effect is mediated by the physics of topological defects, points where cells with different orientations meet one another. Our analyses reveal that when comet-like defects collide with one another, the fast-moving mutant cells rotate vertically and become trapped. By moving more slowly, wild-type cells avoid this trapping mechanism, allowing them to collectively migrate faster. Our work suggests that the physics of liquid crystals has played a pivotal role in the evolution of collective bacterial motility by exerting a strong selection for cells that exercise restraint in their movement.

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