Agent-Based Modeling Demonstrates How Local Chemotactic Behavior Can Shape Biofilm Architecture
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Mature bacterial biofilms have elaborate three-dimensional architectures that endow these structures with their durability and resistance to environmental perturbations. We used agent-based modeling to explore whether local cellular interactions were sufficient to give rise to global structural features of biofilms. Specifically, we asked whether chemorepulsion from a self-produced quorum-sensing molecule, autoinducer-2 (AI-2), was sufficient to recapitulate biofilm growth and cellular organization observed for biofilms of the human pathogen Helicobacter pylori . To carry out this modeling, we modified an existing platform, Individual-based Dynamics of Microbial Communities Simulator (iDynoMiCS), to incorporate three-dimensional chemotaxis, planktonic cells that could join or leave the biofilm structure, and cellular production of AI-2. We simulated biofilm growth of previously characterized H. pylori strains with varying AI-2 production and sensing capacities. Using biologically plausible parameters, we were able to recapitulate both the variation in biofilm mass and cellular distributions observed with these strains. Specifically, the strains that were competent to chemotax away from AI-2 produced smaller and more heterogeneously spaced biofilms, whereas the AI-2 chemotaxis defective strains produced larger and more homogeneously spaced biofilms. The model also provided new insights into the cellular demographics contributing to the biofilm patterning of each strain. Our analysis supports the idea that cellular interactions at small spatial and temporal scales are sufficient to give rise to larger scale emergent properties of biofilms. Importance Most bacteria exist in aggregated, three-dimensional structures called biofilms. Biofilms are resistant to antimicrobials and can pose societal problems, for example when they grow in plumbing systems or on medical implants. Understanding the processes that promote the growth and disassembly of biofilms could lead to better strategies to manage these structures. We had previously shown that Helicobacter pylori bacteria are repulsed by high concentrations of a self-produced molecule, autoinducer-2 (AI-2) and that H. pylori mutants deficient in AI-2 sensing form larger and more homogeneously spaced biofilms. Here we used computer simulations of biofilm formation to show that local H. pylori behavior of repulsion from high AI-2 could explain the overall architecture of H. pylori biofilms. Our findings demonstrate that it is possible to change global biofilm organization by manipulating local cell behaviors, which suggests that simple strategies targeting cells at local scales could be useful for controlling biofilms in industrial and medical settings.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».