A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm.

生物 生物膜 细胞生物学 群体感应 细菌
作者
Kwang-Tao Chou,Dong yeon D. Lee,Jian-Geng Chiou,Leticia Galera-Laporta,San Ly,Jordi Garcia-Ojalvo,Gürol M. Süel
出处
期刊:Cell [Cell Press]
卷期号:185 (1): 145-157.e13
标识
DOI:10.1016/j.cell.2021.12.001
摘要

Contrary to multicellular organisms that display segmentation during development, communities of unicellular organisms are believed to be devoid of such sophisticated patterning. Unexpectedly, we find that the gene expression underlying the nitrogen stress response of a developing Bacillus subtilis biofilm becomes organized into a ring-like pattern. Mathematical modeling and genetic probing of the underlying circuit indicate that this patterning is generated by a clock and wavefront mechanism, similar to that driving vertebrate somitogenesis. We experimentally validated this hypothesis by showing that predicted nutrient conditions can even lead to multiple concentric rings, resembling segments. We additionally confirmed that this patterning mechanism is driven by cell-autonomous oscillations. Importantly, we show that the clock and wavefront process also spatially patterns sporulation within the biofilm. Together, these findings reveal a biofilm segmentation clock that organizes cellular differentiation in space and time, thereby challenging the paradigm that such patterning mechanisms are exclusive to plant and animal development.
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