Growth of nonmotile stress responsive bacterial colonies inside environmental constraints

Abstract

Bacterial colonies are foundational to a broad spectrum of biological processes, exhibiting intricate growth dynamics profoundly influenced by mechanical interactions between cells and their surroundings. A comprehensive understanding of these interactions is crucial for advancing our knowledge of bacterial behavior, particularly within confined or stressed environments. This dissertation analyzes how mechanical forces, originating from cell-cell and cell-substrate interactions, govern the self-organization and structural evolution of bacterial colonies subjected to specific geometric constraints. I examine the collective influence of bacterial properties, surface characteristics, and mechanosensitivity on colony alignment, growth, and structural adaptations under confinement. Employing molecular dynamics simulations, I explore the temporal impact of these factors, in conjunction with confinement geometry, on bacterial behavior. Furthermore, this research investigates the role of external mechanical stress, including isotropic pressure, in inducing morphological transitions and modulating bacterial growth dynamics. This study yields novel insights into the interplay between bacterial mechanics, confinement, and external stress, elucidating how these factors dictate bacterial adaptation and behavior within restricted environments. By integrating theoretical modeling with computational simulations, this thesis contributes to a deeper mechanistic understanding of microbial dynamics, providing new perspectives on how mechanical interactions regulate bacterial organization and expansion across diverse environmental contexts.

Bakterielle Kolonien sind grundlegend für ein breites Spektrum biologischer Prozesse und weisen komplexe Wachstumsdynamiken auf, die stark von mechanischen Wechselwirkungen zwischen Zellen und ihrer Umgebung beeinflusst werden. Ein umfassendes Verständnis dieser Wechselwirkungen ist entscheidend, um unser Wissen über das Verhalten von Bakterien, insbesondere in engen oder gestressten Umgebungen, zu erweitern. Diese Dissertation analysiert, wie mechanische Kräfte, die aus Zell-Zell- und Zell-Substrat-Wechselwirkungen entstehen, die Selbstorganisation und die strukturelle Entwicklung von Bakterienkolonien unter spezifischen geometrischen Einschränkungen steuern. Ich untersuche den kollektiven Einfluss von Bakterieneigenschaften, Oberflächenmerkmalen und Mechanosensitivität auf die Ausrichtung, dasWachstum und die strukturellen Anpassungen der Kolonie unter Einschränkung. Durch den Einsatz von Molekulardynamik-Simulationen erforsche ich den zeitlichen Einfluss dieser Faktoren, in Verbindung mit der Geometrie der Einschränkung, auf das Verhalten der Bakterien. Darüber hinaus untersucht diese Arbeit die Rolle von externem mechanischen Stress, einschließlich isotropem Druck, bei der Auslösung morphologischer Übergänge und der Modulation der bakteriellen Wachstumsdynamik. Diese Studie liefert neue Einblicke in das Zusammenspiel zwischen bakterieller Mechanik, Einschränkung und externem Stress und beleuchtet, wie diese Faktoren die bakterielle Anpassung und das Verhalten in begrenzten Umgebungen bestimmen. Durch die Integration von theoretischer Modellierung mit computergestützten Simulationen trägt diese Dissertation zu einem tieferen mechanistischen Verständnis der mikrobiellen Dynamik bei und bietet neue Perspektiven darauf, wie mechanische Wechselwirkungen die bakterielle Organisation und Expansion in verschiedenen Umweltkontexten regulieren.